CN111862722B - 一种潜艇操纵运动示教系统 - Google Patents

一种潜艇操纵运动示教系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及潜艇运动仿真技术等领域，具体地指一种潜艇操纵运动示教系统。二维平面潜艇受力图采用
Figure DDA0002677577670000011
和
Figure DDA0002677577670000012
符号对潜艇受力情况进行标注，箭头方向表示受力的方向，箭头长短表示受力的大小，采用
Figure DDA0002677577670000013
和
Figure DDA0002677577670000014
符号对潜艇所受力矩情况进行标注，箭头方向表示所受力矩的方向，零升力和力矩、艇体攻角产生的力和力矩、首舵力和力矩、尾舵力和力矩、剩余静载力和力矩，扶正力矩。本发明的系统能够直观清楚的显示潜艇的受力和力矩变化，使操作人员能够快速了解潜艇运行中最重要的参数变化情况。

Description

一种潜艇操纵运动示教系统
技术领域
本发明涉及潜艇运动仿真技术等领域，具体地指一种潜艇操纵运动示教系统。
背景技术
潜艇操纵是一种控制潜艇在水下和水面运动状态的技能。目的是保证潜艇安全航行和实施战术机动。分为水面操纵、下潜操纵、上浮操纵、水下操纵和紧急操纵等。水下操纵是潜艇操纵的主要内容。操纵方法是依据潜艇性能，综合运用螺旋桨、方向舵、升降舵、潜浮系统和均衡系统实施。
潜艇操纵作为一种特殊的专门技能，具有很强的专业性与针对性，同时也对院校开展潜艇操纵基础理论和具体操纵项目的教学和示范提出了很高的要求。虚拟现实技术与视景仿真技术的飞速发展，为潜艇操纵教学领域增添了新的活力，借助虚拟现实技术手段，开发潜艇操纵运动示教系统，将无法直观获取的潜艇在海洋中的运动以及受力特点，通过示教系统予以呈现，有助于学习者理解和掌握潜艇在完成各种机动过程的受力特点以及运动规律，在充分利用和发挥潜艇技术性能基础上，确保潜艇的航行安全。
潜艇模拟运行过程中受力和力矩变化情况是了解潜艇运行状态的重要参数，如何在仿真系统中清楚直观显示潜艇的受力和力矩变化在本领域中还没有涉及。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种潜艇操纵运动示教系统。本发明的系统能够直观清楚的显示潜艇的受力和力矩变化，使操作人员能够快速了解潜艇运行中最重要的参数变化情况。
本发明的技术方案是：一种潜艇操纵运动示教系统，包括二维平面潜艇受力图，其特征在于：二维平面潜艇受力图采用
Figure BDA0002677577650000021
和
Figure BDA0002677577650000022
符号对潜艇受力情况进行标注，箭头方向表示受力的方向，箭头长短表示受力的大小，采用
Figure BDA0002677577650000023
和
Figure BDA0002677577650000024
符号对潜艇所受力矩情况进行标注，箭头方向表示所受力矩的方向，零升力Z0和力矩M0、艇体攻角产生的力Zαα和力矩Mαα、首舵力
Figure BDA00026775776500000211
和力矩
Figure BDA00026775776500000212
尾舵力
Figure BDA00026775776500000213
和力矩
Figure BDA0002677577650000025
剩余静载力P和力矩MP，扶正力矩Mθθ。
根据如上所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：零升力Z0和力矩M0：
Figure BDA0002677577650000026
艇体攻角产生的力Zαα和力矩Mαα
Figure BDA0002677577650000027
首舵力
Figure BDA0002677577650000028
和力矩
Figure BDA0002677577650000029
Figure BDA00026775776500000210
尾舵力
Figure BDA0002677577650000031
和力矩
Figure BDA0002677577650000032
Figure BDA0002677577650000033
剩余静载力P和力矩MP：
Figure BDA0002677577650000034
扶正力矩Mθθ：
Mθθ＝-mgh sinθ，
式中，m为水下全排水量对应的潜艇质量，L为艇长，V为潜艇航速，ρ为海水密度，g为重力加速度，h为潜艇水下稳定中心高，θ为潜艇的纵倾角，α为潜艇垂直面的攻角，δb为潜艇的首舵角，δs为潜艇的尾舵角，Pi为潜艇在
Figure BDA0002677577650000035
处受到的静载力，
Figure BDA0002677577650000036
为静载力Pi作用点在Gx轴上的坐标，Z为潜艇垂直面受到的力，M为潜艇垂直面受到的力矩，Z'0，M'0，Z'w，M'w，
Figure BDA0002677577650000037
为无因次水动力系数。
根据如上所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：还包括艇三维运动视景、潜艇运动参数显示、潜艇围壳舵特效、潜艇尾操纵面特效、潜艇升降装置特效、潜艇航速显示仪表。
根据如上所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：潜艇三维运动视景基于Unity3D仿真平台开发，先用3Dmax建模工具建立潜艇三维实体模型，再用Photoshop对模型进行贴图制作，最后将做好的FBX格式的模型文件导入到Unity3D中，通过交互数据驱动显示并添加相关特效，实现人机互动的3D虚拟场景。
根据如上所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：还包括对潜艇运动或仿真产生的潜艇运动参数进行数据封包的过程，通过Socket通讯协议发送到潜艇操纵运动参数解析与驱动模块，潜艇操纵运动参数解析与驱动模块接收到信号后，根据Unity3D驱动所需的数据格式进行数据解析，通过坐标向量的转换形成三维引擎所识别的数据格式。
附图说明
图1为本发明所述二维平面潜艇受力图。
图2为本发明所述潜艇操纵运动示教系统的人机界面图；
图3为本发明所述潜艇运动参数解析与显示流程图；
图4模型设计流程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参考图1，本发明二维平面潜艇受力图采用
Figure BDA0002677577650000041
和
Figure BDA0002677577650000042
符号对潜艇受力情况进行标注，箭头方向表示受力的方向，箭头长短表示受力的大小，采用
Figure BDA0002677577650000043
和
Figure BDA0002677577650000044
符号对潜艇所受力矩情况进行标注，箭头方向表示所受力矩的方向。具体实现按照CB 20119-2014提供的潜艇操纵性能仿真试验方法进行潜艇运动仿真，得到潜艇操纵运动参数的变化情况。涉及到的各种受力和力矩大小，可用流体力学公式进行计算。
零升力Z0和力矩M0：
Figure BDA0002677577650000045
艇体攻角产生的力Zαα和力矩Mαα
Figure BDA0002677577650000051
首舵力
Figure BDA0002677577650000052
和力矩
Figure BDA0002677577650000053
Figure BDA0002677577650000054
尾舵力
Figure BDA0002677577650000055
和力矩
Figure BDA0002677577650000056
Figure BDA0002677577650000057
剩余静载力P和力矩MP：
Figure BDA0002677577650000058
扶正力矩Mθθ：
Mθθ＝-mgh sinθ (6)
式中，m为水下全排水量对应的潜艇质量，L为艇长，V为潜艇航速，ρ为海水密度，g为重力加速度，h为潜艇水下稳定中心高，θ为潜艇的纵倾角，α为潜艇垂直面的攻角，δb为潜艇的首舵角，δs为潜艇的尾舵角，P为潜艇受到的总的静载力，MP为潜艇受到的总的静载力矩，Pi为潜艇在
Figure BDA0002677577650000059
处受到的静载力，
Figure BDA00026775776500000510
为静载力Pi作用点在Gx轴上的坐标，Z为潜艇垂直面受到的力，M为潜艇垂直面受到的力矩，Z'0，M'0，Z'w，M'w，
Figure BDA00026775776500000511
均为无因次水动力系数。
按照式(1)-(6)实时计算潜艇垂直面的受力和力矩，并采用图形符号在潜艇受力二维平面示意图上进行标注，如图1所示，在实际运行过程中，可直接显示相应的数据，也可符号加实时数据进行显示，这样可以使操作人员实时了解潜艇的运行状况。
参考图2，潜艇操纵运动示教系统的人机界面显示内容包括：艇三维运动视景1、二维平面潜艇受力图2、潜艇运动参数显示3、潜艇围壳舵特效4、潜艇尾操纵面特效5、潜艇升降装置特效6、潜艇航速显示仪表7等部分。
所述潜艇三维运动视景基于Unity3D仿真平台开发，先用3Dmax建模工具建立潜艇三维实体模型，再用Photoshop对模型进行贴图制作，最后将做好的FBX格式的模型文件导入到Unity3D中，通过交互数据驱动显示并添加相关特效，实现人机互动的3D虚拟场景，使参训人员融入真实的操纵环境中，如图4所示。
所述潜艇三维实体模型模型采用美国欧特克(AutoDesk)公司开发的应用软件(3DStudio Max 2012)进行制作，根据潜艇线型图纸，采用1:1的实尺度比例进行实体建模，建模过程中必须有效提升模型的精度等级并尽可能凸出更多的细节，同时兼顾最终系统运行和交互操作时的流畅性。
建模完毕后，进行美化处理，对创建完成的模型进行上色、赋予材质及纹理，然后在虚拟场景中模拟现实灯光进行渲染，通过调试灯光及材质等参数达到最佳效果，最后进行模型烘焙、贴图制作，让模型拥有与现实环境中同样的视觉效果。
参考图3，实际潜艇运动或仿真产生的潜艇运动参数进行数据封包，通过Socket通讯协议发送到潜艇操纵运动参数解析与驱动模块，该模块接收到信号后，根据Unity3D驱动所需的数据格式进行数据解析，通过坐标向量的转换形成三维引擎所识别的数据格式，所有数据保留一位小数，设置UI显示，每隔0.5秒进行快速刷新。根据坐标来设置潜艇位置，渲染出对应的场景，从而驱动三维场景中潜艇的运动。
本发明提供采用实际潜艇导航系统以及传感器反馈的运动参数，也可采用潜艇运动仿真生成的运动参数，通过三维虚拟视景和特效实时显示潜艇的运动状态、舵叶偏转以及升降装置状态信息，结合二维平面潜艇受力图实时显示潜艇垂直面的受力变化情况，为学习者提供直观形象的潜艇运动场景，帮助其理解潜艇受力与运动规律，掌握潜艇操纵技能。

Claims (4)

1.一种潜艇操纵运动示教系统，包括二维平面潜艇受力图，二维平面潜艇受力图采用
Figure FDA0003473058580000011
和
Figure FDA0003473058580000012
符号对潜艇受力情况进行标注，箭头方向表示受力的方向，箭头长短表示受力的大小，采用
Figure FDA0003473058580000013
和
Figure FDA0003473058580000014
符号对潜艇所受力矩情况进行标注，箭头方向表示所受力矩的方向，零升力Z0和力矩M0、艇体攻角产生的力Zαα和力矩Mαα、首舵力
Figure FDA0003473058580000015
和力矩
Figure FDA0003473058580000016
尾舵力
Figure FDA0003473058580000017
和力矩
Figure FDA0003473058580000018
剩余静载力P和力矩MP，扶正力矩Mθθ；零升力Z0和力矩M0：
Figure FDA0003473058580000019
艇体攻角产生的力Zαα和力矩Mαα
Figure FDA00034730585800000110
首舵力
Figure FDA00034730585800000111
和力矩
Figure FDA00034730585800000112
Figure FDA00034730585800000113
尾舵力
Figure FDA00034730585800000114
和力矩
Figure FDA00034730585800000115
Figure FDA00034730585800000116
剩余静载力P和力矩MP：
Figure FDA00034730585800000117
扶正力矩Mθθ：
Mθθ＝-mghsinθ，
式中，m为水下全排水量对应的潜艇质量，L为艇长，V为潜艇航速，ρ为海水密度，g为重力加速度，h为潜艇水下稳定中心高，θ为潜艇的纵倾角，α为潜艇垂直面的攻角，δb为潜艇的首舵角，δs为潜艇的尾舵角，Pi为潜艇在
Figure FDA0003473058580000021
处受到的静载力，
Figure FDA0003473058580000022
为静载力Pi作用点在Gx轴上的坐标，Z为潜艇垂直面受到的力，M为潜艇垂直面受到的力矩，Z'0，M'0，Z'w，M'w，
Figure FDA0003473058580000023
为无因次水动力系数。
2.根据权利要求1所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：还包括艇三维运动视景、潜艇运动参数显示、潜艇围壳舵特效、潜艇尾操纵面特效、潜艇升降装置特效、潜艇航速显示仪表。
3.根据权利要求2所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：潜艇三维运动视景基于Unity3D仿真平台开发，先用3Dmax建模工具建立潜艇三维实体模型，再用Photoshop对模型进行贴图制作，最后将做好的FBX格式的模型文件导入到Unity3D中，通过交互数据驱动显示并添加相关特效，实现人机互动的3D虚拟场景。
4.根据权利要求2所述的一种潜艇操纵运动示教系统，其特征在于：还包括对潜艇运动或仿真产生的潜艇运动参数进行数据封包的过程，通过Socket通讯协议发送到潜艇操纵运动参数解析与驱动模块，潜艇操纵运动参数解析与驱动模块接收到信号后，根据Unity3D驱动所需的数据格式进行数据解析，通过坐标向量的转换形成三维引擎所识别的数据格式。
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