CN112765822A - 船舶编队航行控制的三维仿真方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶编队航行控制的三维仿真方法和系统，方法包括：根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型；构建船闸过闸场景动画和触发场景动画的触发器；构建设有多个触发按钮的UI界面；在船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个与触发按钮交互的船舶模型，并对船舶模型导入水动力模型；设置多个船舶模型的初始位置，生成船舶编队；根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对船舶编队进行仿真。本发明无需通过实体船闸和船舶来进行船舶编队航行试验，从而有效降低船舶编队航行试验时间和船舶行业的成本。本发明可广泛应用于仿真技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及仿真技术领域，尤其是一种船舶编队航行控制的三维仿真方法和系统。
背景技术
随着智能船舶和智能航运的快速发展，船舶编队航行因其具有航运效率高、成本低、安全性好等特点受到了越来越多的关注。其中，船闸水域属于典型复杂受限航行区域，具有船舶密集、航道狭窄、水位落差大等特点。但是，随着船舶数量的增加，船闸通航能力的不足，大大增加的船舶航行的危险性。目前，通过针对船闸水域开展船舶编队航行试验，以提高对船闸安全运行、船舶过闸效率。但是，通过实体船闸和船舶来进行船舶编队航行试验，增加试验时间，同时也增加的船舶行业的成本。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种船舶编队航行控制的三维仿真方法和系统，能够有效降低船舶编队航行试验时间和船舶行业的成本。
根据本发明的第一方面实施例的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，包括以下步骤：
根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型；
构建船闸过闸场景动画和触发场景动画的触发器；
构建UI界面，所述UI界面上设有多个触发按钮；
在所述船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个船舶模型，并对所述船舶模型导入水动力模型，所述船舶模型与所述多个触发按钮交互；
设置多个船舶模型的初始位置，生成船舶编队；
根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对所述船舶编队进行仿真。
根据本发明实施例的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，至少具有如下有益效果：
本实施例通过先根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型，接着构建船闸过闸场景动画、触发场景动画的触发器和具有多个触发按钮的UI界面，以及在船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个与触发按钮交互船舶模型，并对船舶模型导入水动力模型，然后设置多个船舶模型的初始位置以生成船舶编队后，根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对船舶编队进行仿真，从而无需通过实体船闸和船舶来进行船舶编队航行试验，以有效降低船舶编队航行试验时间和船舶行业的成本。
本发明的一些实施例，所述根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型，包括：
采集待试验水域的场景数据；
根据预设地球数据库的数据，采用预设三维建模软件构建船闸水域虚拟场景三维模型。
本发明的一些实施例，所述船闸水域虚拟场景三维模型中采用第一脚本控制水面参数，所述水面参数包括水面反射强度、菲涅尔强度、风速等级、波浪、网格比例、水面折射强度和水面折射失真度。
本发明的一些实施例，所述船闸过闸场景动画包括船闸闸门开启和关闭动画以及闸室水面升降动画。
本发明的一些实施例，所述触发器设置于所述船闸过闸场景动画内闸门前侧，用于在仿真过程中触发第二脚本，所述第二脚本用于执行对应的场景动画。
本发明的一些实施例，所述船舶模型采用第三脚本与所述多个触发按钮交互；当进行仿真时，所述多个触发按钮用于控制所述船舶模型的船舶类型和船舶工作状态。
本发明的一些实施例，所述在所述船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个船舶模型，并对所述船舶模型导入水动力模型，包括：
在所述船闸水域虚拟场景三维模型中导入预先构建的多个船舶模型；
构建多个船舶模型的螺旋桨和舵机动画，并导入水动力模型，所述螺旋桨和舵机动画用于模拟螺旋桨旋转和转舵。
本发明的一些实施例，所述设置多个船舶模型的初始位置，生成船舶编队，包括：
设置多个船舶模型的初始位置，所述多个船舶模型的初始位置均不相同；
从多个船舶模型中设定两条船舶为领航船舶，剩余船舶为跟随船舶，形成船舶编队。
本发明的一些实施例，所述根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对所述船舶编队进行仿真，包括：
船舶编队接收UI界面输入的控制信号，在船闸水域虚拟场景三维模型中进行航行仿真；
当船舶编队航行到预设位置，触发船闸过闸场景动画。
根据本发明的第二方面实施例的一种船舶编队航行控制的三维仿真系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行第一方面实施例的船舶编队航行控制的三维仿真方法。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
图1为本发明实施例的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法的流程图；
图2为一种具体实施例的仿真平台的模块框图；
图3为一种具体实施例的虚拟场景模块的结构图；
图4为一种具体实施例的动画模块的结构图；
图5为一种具体实施例的元素脚本关联图；
图6为一种具体实施例的船舶编队仿真过程的控制流程图；
图7为一种具体实施例的单个闸室仿真流程图；
图8为一种具体实施例的船舶下游航行仿真图；
图9为一种具体实施例的船舶接近闸室航行仿真图；
图10为一种具体实施例的船舶进入闸室航行仿真图；
图11为一种具体实施例的船舶出闸航行仿真图；
图12为一种具体实施例的船舶离开最后一级船闸的航行仿真图；
图13为一种具体实施例的船舶进入上游航行仿真图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
参照图1，本发明实施例提供了一种船舶编队航行控制的三维仿真方法。本实施例可应用于服务器或者后台处理器，服务器或者后台处理器均能与仿真平台进行交互。其中，在仿真之前，如图2所示，仿真平台内预先设置有虚拟场景模块、动画模块和元素脚本模块。虚拟场景模块包含地形、天空盒、摄像机、船舶模型、UI界面、音效等子模块，其用于模拟船舶过闸的虚拟环境。动画模块包括场景动画子模块和模型动画子模块，其用于模拟船舶过闸需求及模拟船舶航行。元素脚本模块用于控制并访问虚拟场景模块和动画模块构建的场景模型并调用该场景模型。
具体地，如图3所示，虚拟场景模块包含地形、天空盒、摄像机、船体模型、UI界面、水面、音效。其中，地形包含多级船闸、山峰、大坝、引导墙、航道；天空盒包含天空模块、云朵模块、太阳模块，用于模拟天空环境；摄像机包含第三人称视角的摄像机和第一人称视角的摄像机，用于显示可视化仿真场景；船舶模型包含船舶粒子系统、船舶设备；船舶设备包含船体、螺旋桨、舵机、锚机、柴油机；UI界面包含按钮、滑动条、Text，用于对船舶模型进行控制，同时反馈船舶航行状态；水面包含波普参数、反射参数、Ceto海洋插件和Water4Advanced插件，用于模拟船闸水域下游、闸室和上游水面；音效包含海浪声和柴油机引擎声，用于实现听觉仿真。
如图4所示，动画模块包含场景动画子模块和模型动画子模块；所述场景动画包含闸门启闭、闸室水面升降，看基于Unity3D Animation制作，病通过脚本调用，用于模拟船舶进闸出闸；模型动画包含船舶舵机转舵、螺旋桨旋转，用于船舶航行可视化仿真。
如图5所示，元素脚本模块包含船舶、摄像机、海洋、UI界面、动画、地形等控制脚本；通过编写脚本对船舶进行输入控制，水动力系统用于计算船体、舵和螺旋桨产生的力和力矩，水粒子系统模拟船舶经过生成的波浪；相机脚本，用于控制船舶摄像机，实现键盘控制摄像机从第一人称到第三人称变化，同时实现鼠标拖动摄像机视角改变；海洋脚本用于对水面的反射参数、波谱参数、风速进行调节，使其符合船闸水域的水面参数；UI界面脚本实现用户界面与船舶状态的交互，包含Text显示船舶实时状态参数，按钮控制船舶更换、船舶柴油机、锚机启停、船舶相机更换，滑动条Slider控制船舶输出功率、船舶转舵舵角；动画脚本包含水面上升、水面下降、闸门开启、闸门关闭，用于调用不同的场景动画。
在仿真过程中，图1所示方法包括以下步骤：
S11、根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型。其中，待试验水域的场景数据为当前需要试验的船闸水域现实场景数据。
在一些实施例中，根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型这一步骤，可以通过以下方式实现：
采集待试验水域的场景数据；然后根据预设地球数据库的数据，采用预设三维建模软件构建船闸水域虚拟场景三维模型。其中，预设地球数据库可以为Google地球数据库。预设三维建模软件可以为Unity3D平台。
在构建船闸水域虚拟场景三维模型过程中，在模型中插入Google 3D Warehouse的大坝模型，制作引导墙和多级船闸，船闸设为刚体，对场景进行材质渲染，给地形添加碰撞组件，防止发生船舶穿透现象。同时在模型中插入Ceto海洋插件，通过第一脚本Ocean控制水面参数。其中，水面参数包含水面反射强度、菲涅尔强度、风速等级、波浪、网格比例、水面折射强度及折射失真度等数据。船闸闸室采用Water4Advanced水插件。插入Blue Sunset天空组件，同时添加多个日光灯模拟太阳，调节日光灯RGB值，在不增加场景反射强度前提下降低闸室内阴影面积。
S12、构建船闸过闸场景动画和触发场景动画的触发器。
在本步骤中，船闸过闸场景动画包括船闸闸门开启和关闭动画以及闸室水面升降动画。在构建得到上述动画后，使得在仿真过程中，能够更好的模拟实际情况。例如，以闸门开启时的左门为例，以闸门靠墙为轴心，第一帧时设置闸门的状态为关闭，Y轴角度为0°，最后一帧闸门Y轴角度为-90°，状态为开启。当设置完第一帧和最后一帧后，Unity3D自动补全其余部分，形成一个流畅的开闸动画，闸门关闭动画同理。闸室水面升降动画，则以闸室水面升高为例，设置第一帧闸室水面高度以及最后一帧水面高度，Unity3D自动补全其余部分，形成一个均匀升高的水面动画，闸室水面下降动画同理。
触发器设置于船闸过闸场景动画内闸门前侧，用于在仿真过程中触发用于执行对应的场景动画的第二脚本，进而执行相应动画。例如，在闸门前添加长方体作为触发器，将长方体材质设置为无，使其不会在场景中显现，且不会与船舶发生碰撞。在触发器中添加第二脚本，有船舶进入触发器，将会触发对应的第二脚本，从而使仿真过程执行相应的动画。在场景中添加多个触发器，触发器大小要合适，以满足过闸需求。
S13、构建UI界面，其中，UI界面上设有多个触发按钮、滑动条、Text。具体地，可通过编写脚本Scene Manager以实现船舶模型和用户界面联动，从而点击用户界面上的触发按钮即能控制船舶更换、锚机起锚抛锚及柴油机启停，摄像机转换；通过滑动条可以控制船舶前进与后退速度、转舵角度；船舶实时状态数据通过Text反馈到用户界面。
S14、在船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个与触发按钮交互的船舶模型，并对船舶模型导入水动力模型。
在本步骤中，如图5所示，船舶模型采用第三脚本Scene Manager与多个触发按钮交互；当进行仿真时，多个触发按钮用于控制所述船舶模型的船舶类型和船舶工作状态。
在导入过程中，则先在船闸水域虚拟场景三维模型中导入预先构建的多个船舶模型，构建多个船舶模型的用于模拟螺旋桨旋转和转舵的螺旋桨和舵机动画，通过编写脚本Ship Controller实现键盘控制船舶启停、前进后退与转向。并设置船舶为刚体，设置船舶质量，给船舶添加重力并计算重心位置。在船体首部、尾部以及船中两侧添加ParticleSystem粒子系统，调节参数模拟船舶兴起的波浪。其中，尾流效果的长度可参考公式1所示：
Lw＝0.05×(L·KL+KU·U2) 公式1
Lw为尾流长度；L为船长；KL为长度系数；KU为速度系数；U为船舶航行速度。
同时咋船舶模型中导入水动力模型，设置水的密度为1030kg/m3，设置水粘滞系数。在考虑船、桨、舵的影响情况下，计算船体、舵和螺旋桨产生的力和力矩。其中，船舶模型运动方程如公式2所示：
下标I表示惯性；H表示粘性类流体动力和力矩；下标R、P分别表示舵和螺旋桨；xc是船舶中心在附体坐标系中x轴坐标，由于流体力矩N是相对船舶中心的，因此，要将N修正到相对重心的力矩。
其中，流体惯性力和惯性力矩分解式如公式3所示：
mx和my表示附加质量；JZZ表示附加惯性矩；αx表示横向附加质量my作用中心的x坐标值。
粘性流体力和力矩如公式4所示：
Yv、Yr、Yvvv、Yvvr和Yrrr等为流体动力导数，可通过试验确定。
螺旋桨横向力和力矩可采用公式5所示模型：
T为螺旋桨总推力；tp为推力减额系数；yPT、nPT可以由船舶模型确定。
作用于舵上流体力模型如公式6所示：
FN为舵的正压力；tR为舵阻力减额系数；aH为计入操舵诱导船体横向后关于舵力的修正因子；xH为操舵诱导船体横向力作用中心到船舶重心的无量纲距离。
S15、设置多个船舶模型的初始位置，生成船舶编队。具体地，如图6所示，通过对步骤S14导入的船舶模型添加相同的脚本，以输入船舶主要参数，并设置不同的初始位置，以形成具有初始状态的船舶编队，该船舶编队可采用领导-跟随法控制。在虚拟场景中从船舶编队中设定两条领航船舶，剩余船舶为跟随船舶，当接收到UI界面输入后，求解船舶水动力系数，以控制螺旋桨、船体和舵的工作状态，然生成船舶运动数学模型后，生成船舶在当前时刻的运动姿态，确定领航船舶和跟随船舶的角度和距离是否为期望角度和距离，若不是，则继续接收UI界面输入，反之则结束。
在完成上述设置后，执行步骤S16。
S16、根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对船舶编队进行仿真。
具体地，如图7所示，仿真过程为船舶编队接收UI界面输入的控制信号，在船闸水域虚拟场景三维模型中进行航行仿真，触发船闸过闸场景动画，如图8所示的船舶编队在下游航行的仿真示意图，如图9所示，当船舶航行至快接近闸室时，船舶编队触发触发器后，启动场景动画，例如，进闸口左侧闸门开启和进闸口右侧闸门开启后，如图10所示，船舶完全进闸后，继续触发触发器，进闸口左侧闸门关闭和进闸口右侧闸门关闭，水面开始升高，出闸口左侧闸门开启和出闸口右侧闸门开启，如图11所示，船舶出闸；如图12所示，船舶离开最后一级船闸，继续行驶，如图13进入上游航行，即完成一次仿真过程，从而得到与实际试验接近的仿真结果，从而无需通过实体船闸和船舶来进行船舶编队航行试验，即能得到试验结果，以有效降低船舶编队航行试验时间和船舶行业的成本。
本发明实施例提供了一种船舶编队航行控制的三维仿真系统，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行图1所示的船舶编队航行控制的三维仿真方法。
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的方法。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
Claims (10)
1.一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型；
构建船闸过闸场景动画和触发场景动画的触发器；
构建UI界面，所述UI界面上设有多个触发按钮；
在所述船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个船舶模型，并对所述船舶模型导入水动力模型，所述船舶模型与所述多个触发按钮交互；
设置多个船舶模型的初始位置，生成船舶编队；
根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对所述船舶编队进行仿真。
2.根据权利要求1所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述根据待试验水域的场景数据，构建船闸水域虚拟场景三维模型，包括：
采集待试验水域的场景数据；
根据预设地球数据库的数据，采用预设三维建模软件构建船闸水域虚拟场景三维模型。
3.根据权利要求2所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述船闸水域虚拟场景三维模型中采用第一脚本控制水面参数，所述水面参数包括水面反射强度、菲涅尔强度、风速等级、波浪、网格比例、水面折射强度和水面折射失真度。
4.根据权利要求1所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述船闸过闸场景动画包括船闸闸门开启和关闭动画以及闸室水面升降动画。
5.根据权利要求4所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述触发器设置于所述船闸过闸场景动画内闸门前侧，用于在仿真过程中触发第二脚本，所述第二脚本用于执行对应的场景动画。
6.根据权利要求1所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述船舶模型采用第三脚本与所述多个触发按钮交互；当进行仿真时，所述多个触发按钮用于控制所述船舶模型的船舶类型和船舶工作状态。
7.根据权利要求1所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述在所述船闸水域虚拟场景三维模型中导入多个船舶模型，并对所述船舶模型导入水动力模型，包括：
在所述船闸水域虚拟场景三维模型中导入预先构建的多个船舶模型；
构建多个船舶模型的螺旋桨和舵机动画，并导入水动力模型，所述螺旋桨和舵机动画用于模拟螺旋桨旋转和转舵。
8.根据权利要求1所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述设置多个船舶模型的初始位置，生成船舶编队，包括：
设置多个船舶模型的初始位置，所述多个船舶模型的初始位置均不相同；
从多个船舶模型中设定两条船舶为领航船舶，剩余船舶为跟随船舶，形成船舶编队。
9.根据权利要求8所述的一种船舶编队航行控制的三维仿真方法，其特征在于，所述根据导入船舶模型后的船闸水域虚拟场景三维模型、船闸过闸场景动画、触发器和UI界面对所述船舶编队进行仿真，包括：
船舶编队接收UI界面输入的控制信号，在船闸水域虚拟场景三维模型中进行航行仿真；
当船舶编队航行到预设位置，触发船闸过闸场景动画。
10.一种船舶编队航行控制的三维仿真系统，其特征在于，包括：
至少一个存储器，用于存储程序；
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1-9任一项所述的船舶编队航行控制的三维仿真方法。
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