高品质航海模拟器制造技术

高品质航海模拟器属于航海教学与培训技术领域。本实用新型专利技术由船舶运动数学模型、仿真驾驶台及设备、视景系统三部分组成，以微机集群为基础，采用分布式交互仿真、计算机成像、立体视觉、几何校正及边缘融合技术，主本船和副本船都配备视景系统的体系结构，具有６自由度高精度数学模型的全任务航海模拟器；系统为每一个仿真对象建立船舶运动数学模型，采用计算机集群、多通道柱幕投影生成能达到３６０°的大视场角视景，操船者通过视景提供的视觉信息以及驾驶台中各种仿真仪器提供的航行信息，操纵车、舵等操船设备，达到教学培训或科学试验等目的。主要应用于教学培训、科学试验、港口和航道工程论证、船舶特殊操纵方案评估等。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于航海教学与培训
主要应用于港口和航道工程论 证、船舶特殊操纵方案评估等。
技术介绍
80年代初，大连海事大学从挪威引进了我国第一台雷达/ARPA模拟器，以后 上海海运学院和集美航海学院分别引进了各自的雷达/ARPA模拟器，这对我国应 用航海模拟器从事航海教学与培训起到了很重要的作用，但是技术掌握在别人 手里，我们无法利用这些设备做更多的工作，无法按我们的设想增加其功能， 改善其教学效果。从80年代后期开始为了摆脱这种局面，我们开始了自行研制 航海模拟器的历程，首先从研制雷达/ARPA模拟器(国外称其为Blind Simulator, "盲"的模拟器)着手，以后陆续研制有视景系统的船舶操纵模拟器。高品质航海模拟器采用先进的分布交互仿真(DIS: Distributed Interactive Simulation)禾口高层体系结构(HLA:High Level Architecture) 的设计思想、可以和互联网方便相连的先进网络技术，将系统的各计算机相互 连接。该系统由l个教练员站、l条主本船、若千条副本船构成，各本船之间通 过三维视景和雷达图象互见。教练员站与各本船中的计算机均采用高性能微机， 微机间采用网络联结。模拟器中的各本船功能完备，可完整地模拟船舶驾驶台操作环境，可用F 包括在受限水域进行高级操纵和引航训练。可以进行STCW78 / 95公约所规定的 模拟器培训和适任评估；高品质航海模拟器具有较高的仿真精度，模拟器的性 能指标完全满足挪威船级社(DNV)有关航海模拟器的性能标准(Standard for Certification No2. 14 Maritime Simulator Systems)禾口其他国际公认的模拟 器标准以及中国海事局和STCW 78/95公约对用于培训和适任评估的模拟器的性 能要求，可用于全面履行STCW 78/95公约规定的各种训练和适任评估。高品质航海模拟器采用当今最先进的技术手段和方法，如计算机成象技术、 虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影技术等，可将数字化的港口及相关 设施动态、逼真地展现在操作人员面前。所采用的技术手段和方法具有一定的先进性和前瞻性，模拟器除了能满足各种训练和适任评估的要求之外，还能进行工程论证和海事分析。
技术实现思路
本技术的目的就是提供一种能满足各种训练和适任评估的要求，并能 进行工程论证和海事分析的高品质航海模拟器。 本技术的技术构思是*提出并采用DIS (分布交互仿真)技术的多本船体系结构。考虑到多本船 系统在船舶操纵模拟器中的特殊作用，以及为每个本船配备视景系统的可行性，我们于1997年在中国系统仿真学会年会上首次提出多本船体系结构，各本船可 通过雷达屏幕与视景系统"互见"，提出了 "主本船"与多个"副本船"的概念。 目前这一概念已为航海模拟器研制者和使用者普遍认可。參采用CGI (计算机成像)技术，用高档微机加高性能图形加速卡，柱幕投 影软件几何校正及边缘融合方法生成逼真的大视场角视景，具有极高的性能价 格比。*开发了一批高品质航海模拟器开发平台的支撑软件，可以用于快速、高 效的创建训练区域的视景库、电子海图、雷达视频以及船舶运动数学模型库。这些支撑软件主要包括1) 固定螺距螺旋桨船舶水动力数学模型仿真测试软件；2) 可变螺距螺旋桨船舶水动力数学模型仿真测试软件；3) 平推螺旋桨(Voith Schneider)船舶水动力数学模型仿真测试软件；4) 高速水翼船水动力数学模型仿真测试软件；5) GMDSS通信设备仿真软件；6) Kelvin Hughes雷达模拟软件；7) 船舶航行安全及自动避碰算法仿真测试平台；8) 自动舵控制算法仿真测试平台；9) 集装箱装卸仿真系统的运动模型和原型机；10) 基于PC的CAVE系统及其在集装箱装卸仿真系统中的应用软件；11) 基于GPS OEM板的GPS模拟软件;12) 基于虚拟现实技术的深水航行器操纵仿真系统；13) 基于海图等高线数据生成三维视景数据库的三角优化构网软件；14) 基于海浪谱的航海模拟器实时波浪仿真软件；15) 高斯投影和墨卡托投影坐标变换软件；16)基于PC集群的多通道沉浸式虚拟环境视景驱动软件。參鉴于助航设施在船舶操纵模拟器中的重要作用，设计了航行灯、灯塔、 浮筒、灯光可见距离的算法，该算法简单、准确。*与浙江大学CAD&CG国家重点实验室合作，不断地将图形学研究、虚拟现 实领域的最新研究成果用于航海模拟器的视景系统中，保持其先进性。*将虚拟现实研究领域中的立体视觉视景系统引入航海模拟器屮，这种视 景系统符合航海人员团队工作的特点，有很好的纵深感。在航海模拟器研究领 域尚未见报道。本技术的技术解决方案是，航海模拟器是一种典型的人在回路中的仿真系统，也是当今虚拟现实研究 的重要应用领域。系统主要由船舶运动数学模型、仿真驾驶台及设备、视景系 统三部分组成。系统为每一个仿真对象一本船建立船舶运动数学模型，系统运行时，模型解 算程序根据每条船的特性数据、航行环境以及操船指令计算采样时刻本船的位 置、航向、速度、航向变化率、加速度等，视景系统根据上述信息，用计算机 成像技术(CGI， Computer Generated Image)生成该时刻的视景(虚拟环境)， 高品质航海模拟器中采用计算机集群、多通道柱幕投影生成大视场角视景(可 达360° )，给人以极好的沉浸感，操船者有如驾驶一条实船在创建的虚拟环境 中航行，操船者通过视景提供的视觉信息以及驾驶台中各种仿真仪器提供的航 行信息，操纵车、舵等操船设备，达到教学培训或科学试验等目的。系统的总体框图如附图说明图1，主本船的构成图如图2，图3为主本船模拟驾驶舱 内、外效果图，图4为主本船投影机布局图，图5为副本船系统构成，图6为 副本船平面布置图及布局图，图7为教练台的布局图，图8为采用大屏幕(折 幕)正投视景系统的副本船效果图，图9为采用大屏幕(柱幕无缝拼接)止:投 视景系统的副本船效果图。值得注意的是系统采用模块化结构，可根据用户的 场地条件、功能需要以及经费情况，灵活配置。本技术所达到的有益效果是在国际海事组织(IM0) STCW78/95公约中，应用合格的航海模拟器从事相 应的航海教学培训及船员适任评估占有重要的位置。近年来，高品质航海模拟 器在我国重大港口建设方案评估中的应用，也已越来越引起相关专家的重视。 高品质航海模拟器开发平台用于开发高品质航海模拟器，由于我们拥有完整的 自主知识产权，可以用来开发系列化的航海模拟器以满足不同用户的需求。H 前使用航海模拟器的主要有航海院校、各类航海培训中心，以及从事与港U航 道相关的工程设计和研究单位。高品质航海模拟器及其开发平台项目的完成，打破了少数发达国家对我国 航海模拟器市场的垄断，极大地提高了我国在应用航海模拟器进行航海教学与 培训、开展科学研究领域的国际地位。尤其是在我国履行STCW78./95公约实施 阶段具有重要意义。STCW78/95公约(国际海员培训、发证、值班标准国际公约 1995年修正案)，较大篇幅地增加了使用航海模拟器从事航海教学与培训、进行 适认评估的内容，将雷达标绘，ARPA操作模拟列入强本文档来自技高网...

【技术保护点】
高品质航海模拟器，其特征在于，由船舶运动数学模型、仿真驾驶台及设备、视景系统三部分组成，以微机集群为基础，主本船和副本船都配备视景系统的体系结构，具有６自由度高精度数学模型的全任务航海模拟器；本实用新型中的计算机集群、多通道柱幕投影生成的大视场角视景能达到３６０°。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：金一丞，尹勇，李志华，任鸿翔，张秀凤，刘秀文，张百安，刘丹，任俊生，张显库，解翠，孙霄峰，杨晓，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：实用新型
国别省市：91[中国|大连]