CN117610462B - 帆船操纵仿真方法、系统、应用及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子与信息科技领域，提供一种帆船操纵仿真方法、系统、应用及电子设备，其中帆船操纵仿真方法包括：构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，包括前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，四自由度多帆帆船操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型和运动学模型；对帆船的航行环境进行仿真；进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练。用以解决现有的方案复杂航行环境下仿真程度不够高，无法模拟用户在多帆帆船航行时施加多种操纵策略的问题，本发明可以提高多帆帆船仿真的真实感和模拟效果，可以提高用户的学习效率以及提高用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及电子与信息科技技术领域，尤其涉及一种帆船操纵仿真方法、系统、应用及电子设备。
背景技术
帆船运动是利用自然风力对帆船的作用而进行帆船航速比赛的水上运动项目，由于场所、运动器材等原因，我国大部分地区的群众对帆船认识有限，对帆船操作训练知识了解不足。
现有技术中也有一些相关研究可以实现帆船操纵的仿真，但是现有的技术方案中由于未考虑建立多帆帆船运动模型或多种环境因素对多帆帆船的影响、以及用户对多帆帆船的多种操纵策略等要素，导致现有的方案仿真程度不够高，不能真实模拟多帆帆船在复杂海况中的航行情况。
发明内容
本发明提供一种帆船操纵仿真方法、系统、应用及电子设备，用以解决现有的方案在复杂航行环境下仿真程度不够高，不能真实模拟用户在多帆帆船航行时施加多种操纵策略的问题，该发明可以提高多帆帆船仿真的真实感和模拟效果，可以提高用户的学习效率以及提高用户体验。
本发明提供一种多帆帆船操纵仿真方法，包括：
构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，四自由度多帆帆船操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型和运动学模型；
对帆船的航行环境进行仿真；
进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练。
根据本发明提供的多帆帆船操纵仿真练习方法，多帆的空气动力学模型通过如下方式构建：
对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，进行无量纲化处理获得每个帆翼的气动力系数，并计算各帆翼气动力系数随各自攻角的变化情况；
将每个帆翼产生的气动力分别分解到四个自由度上，建立多帆的空气动力学模型。
根据本发明提供的帆船操纵仿真方法，对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，包括：
构建包含多帆及船体的整船三维结构模型，以及建立与整船的三维结构模型对应的计算域，并进行网格划分和加密；
对整船所处流体环境建立N-S方程，引入湍流模型，并设置流体属性和边界条件，进行CFD数值模拟求解N-S方程；
监测模拟过程中气动力的变化，分析和评估求解结果，并对整船的三维结构模型、求解条件、网格划分方式等进行调整，直至计算结果趋于稳定；
调整帆翼开合角度与船体航向，重复上述模拟实验，获得不同迎风角下的气动力数据，包含船体迎风角、主帆角、前帆角和升阻力等参数，建立气动力数据库。
根据本发明提供的多帆帆船操纵仿真方法，水动力模型通过如下方式构建，包括：
基于船体、龙骨、舵受到的纵向力以及航行环境产生的纵向力确定前进自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横向力以及航行环境产生的横向力确定横漂自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横倾力矩以及航行环境产生的横倾力矩确定横摇自由度上的合力矩；
基于船体、龙骨、舵受到的转首力矩以及航行环境产生的转首力矩确定艏摇自由度上的合力矩。
根据本发明提供的多帆帆船操纵仿真方法，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型中的运动学模型，包括：
基于多帆帆船的三维结构与牛顿运动定律，确立附体坐标系与惯性坐标系；
基于多帆帆船的空气动力学模型和水动力学模型的分解结果，在前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度上进行合力或力矩的计算，建立四自由度多帆帆船运动学模型；
根据本发明提供的帆船操纵仿真方法，帆船的航行环境包括海风和海浪，对帆船的航行环境进行仿真，包括：
通过随机算法对海风添加扰动，以模拟日常环境下的海风环境效果；
基于海浪谱与尾迹拓展公式建立可交互海浪模型。
根据本发明提供的多帆帆船操纵仿真方法，基于海浪谱与尾迹拓展公式建立可交互海浪模型，包括：
在帆船随海浪四自由度运动的基础上，通过增加帆船所受浮力，模拟海浪对帆船起伏的影响；
通过帆船在海面上航行生成的尾迹来模拟帆船对海浪的影响。
根据本发明提供的帆船操纵仿真方法，进行帆船操纵仿真，包括：
基于四阶龙格-库塔法，实现四自由度多帆帆船操纵运动模型进行帧同步解算，满足帆船操纵运动实时仿真的需要。
同时结合仿真航行环境，实现包含多功能模块的多帆帆船模拟操纵系统。该系统具备帆船控制功能模块、音效功能模块、UI功能模块。其中，帆船控制功能模块，包含用户对多帆帆船的各个帆的协同操作及压舷、掌舵等基础操作的逻辑控制，用以实现各种帆船操作的控制策略。
本发明还提供一种帆船操纵仿真训练系统，包括：
帆船运动建模模块，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，包括前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，四自由度多帆帆船操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型和运动学模型；
环境仿真模块，用于对帆船的航行环境进行仿真；
操纵仿真训练模块，进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述任一种帆船操纵仿真方法。
本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种帆船操纵仿真方法。
本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种帆船操纵仿真方法。
本申请的方案具有如下有益效果：
（1）帆船仿真系统方面，首先引入了多帆协同的操作方式，相对于单帆的操作方式，用户可以通过独立控制球帆、前帆、主帆的张力、角度和方向多帆可以提供更加灵活的推进力，进而提升航行的性能，此外，多帆操作方式拓展了帆船仿真的应用领域，使仿真目标不局限于单帆的帆船，而是可以兼容包含但不限于三帆的各种帆船船型。
（2）操纵运动模型方面，本文基于多帆输入的四自由度操纵运动模型进行帆船的仿真，相对于单帆单桅的动力学模型,它可以考虑不同帆之间的协同作用以及更加全面考虑帆船受到风力和海浪的影响，进而提供更精确、更真实的帆船运动仿真结果，此外，多帆动力学模型还能为用户提供更多的操纵选项和控制参数, 可以实现更加准确灵活的模拟效果。
（3）海风及海浪等环境因素的仿真上，通过综合考虑海风和海浪等环境因素，仿真系统能够提供更真实的环境模拟。本系统基于海浪谱方式实现海浪环境仿真，并通过海浪场的高度信息与J80船体浸水高度的差值控制帆船上下波动；海风的模拟是通过实时更新帆船运动姿态及场景信息的变化实现。海风和海浪对帆船的航向、速度和稳定性等产生重要影响，在仿真系统中模拟这些因素，可以使用户更好地理解和应对不同环境下的挑战，根据实时的海风和海浪条件来调整每个帆和舵的操作，以保持船只的平衡和提高航行速度，帮助用户培养和提高实际帆船操纵技巧。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的帆船操纵仿真方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的帆船运动坐标系的示意图，其中图2（a）为固定坐标系，图2（b）为运动坐标系，图2（c）为帆船在运动坐标系下运动的示意图；
图3是本发明实施例提供的帆船操纵仿真训练系统的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的帆船操纵模拟训练的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的帆船操纵仿真方法的流程示意图；
如图1所示，本实施例提供了一种帆船操纵仿真方法，包括：
步骤101，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，包括前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，四自由度多帆帆船操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型、运动学模型；
步骤102，对帆船的航行环境进行仿真；
步骤103，进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练。
实际应用中，本实施例中的帆船可以为J/80帆船。
实际应用中，用户在仿真的航行环境中进行多帆帆船操纵训练，包括：帆船基础教学以及帆船航行训练，其中帆船基础教学包括掌舵学习、操帆学习、顺风换舷和迎风转向等，帆船航行训练帆船航行训练，如三角绕标、八字绕标等常见航线的航行训练。
示例性实施例中，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型中的多帆的空气动力学模型，包括两个步骤：
步骤1：对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，进行无量纲化处理获得每个帆翼的气动力系数，并计算各帆翼气动力系数随各自攻角的变化情况。其中无量纲化处理计算气动力系数，具体包括：
按如下公式(1)，计算帆船的各个风帆的升力系数CLsi和阻力系数CDsi，并采用数学方法拟合能表达该关系的方程组；其中下标si为风帆的不同种类，可以有三种取值：s为主帆、hs为前帆、sp为球帆；是空气密度；Lsi、Dsi是气动力对风帆产生的升力和阻力；SSi是风帆的面积；Vasi为相对风速，进而/>为相对风速的平方；
也即，帆船的主帆的升力系数CLs和阻力系数CDs通过如下公式计算：
其中，空气密度，Ls、Ds是气动力对主帆产生的升力和阻力；SS是主帆的面积；Vas为主帆的相对风速，进而/>主帆的相对风速的平方；
帆船的前帆的升力系数CLhs和阻力系数CDhs通过如下公式计算：
其中，是空气密度，Lhs、Dhs是气动力对前帆产生的升力和阻力；Shs是前帆的面积；Vahs为前帆的相对风速，进而/>为前帆的相对风速的平方；
帆船的球帆的升力系数CLsp和阻力系数CDsp通过如下公式计算：
其中，是空气密度，Lsp、Dsp是气动力对球帆产生的升力和阻力；Ssp是球帆的面积；Vasp为球帆的相对风速，进而/>为球帆的相对风速的平方；
步骤2：将每个帆翼产生的气动力分别分解到四个自由度上，建立多帆的空气动力学模型，具体包括：
将帆翼产生的气动力分解到前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度上，如下公式所示：
上式中XS为前进自由度上的气动力，YS为横漂自由度上的气动力，KS为横摇自由度上的气动力，NS为艏摇自由度上的气动力，下标s代指主帆，hs代指前帆，sp代指球帆，也即Xs为主帆在前进自由度上的气动力，Xhs为前帆在前进自由度上的气动力，Xsp为球帆在前进自由度上的气动力，Ys为主帆在横漂自由度上的气动力，Yhs为前帆在横漂自由度上的气动力，Ysp为球帆在横漂自由度上的气动力，Ks为主帆在横摇自由度上的气动力，Khs为前帆在横摇自由度上的气动力，Ksp为球帆在横摇自由度上的气动力，Ns为主帆在艏摇自由度上的气动力，Nhs为前帆在艏摇自由度上的气动力，Nsp为球帆在艏摇自由度上的气动力。以轴作用点为例，不同的下标s、hs、sp分别代指来流对主帆、前帆、球帆各自合力在/>轴的作用点。
风帆的受力还需要考虑相对风速与相对风向角，本专利中展示的三种风帆受力均可使用如下公式表示；
其中，VTW为绝对风速，、/>分别为绝对风速VTW在大地坐标系北向轴和东向轴上的分量；/>为真实风向角；/>为相对风向角；/>为风帆攻角；/>为帆角；/>、/>、/>分别为来流对风帆的合力作用点在/>、/>、/>轴的位置坐标；
是桅杆与来流对风帆的合力作用点在/>轴上的投影距离，/>是桅杆与附体坐标系原点的水平距离。
示例性实施例中，对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，包括4个步骤：
步骤1：构建包含多帆及船体的整船三维结构模型，以及建立与整船的三维结构模型对应的计算域，并进行网格划分和加密，具体包括：
示例性的，可以使用SolidWorks或CATIA等三维建模软件建立等比例的J/80帆船三维模型，在不影响研究结果的前提下对三维船体部件进行一定程度的简化或舍弃；
使用CFD前处理软件对三维模型的细节进行修补和优化，并在前处理软件中建立包裹整个船体的计算域。计算区域的空间被设置为前后10倍、左右10倍、上面3倍的帆船艏艉柱垂线间长。
由于实验对象是帆船，其表面特征较复杂，如果使用结构性网格，曲面处的结构性网格贴合及细小结构特征处的ε网格划分将会十分困难，因此在内计算域使用对曲面和细小结构特征适应性更强的非结构性网格进行划分。
还需要检查网格质量，对局部网格进行加密。首先定位出船体细小结构处位置，对这些细小结构进行加密，然后对整船表面进行面网格加密，最后在整船表面生成非结构性面网格，在面网格的基础上再进一步生成非结构性体网格。
步骤2：对帆船所处流体环境建立N-S方程，引入湍流模型，并设置流体属性和边界条件，进行CFD数值模拟求解N-S方程；具体包括：
本文计算使用的风速远低于声速，可将来流视为不可压缩流体，控制方程为三维不可压缩的连续性方程和动量守恒方程（Navier-Stokes equations，N-S方程）。引入湍流模型与标准壁面模型。取平均风速/>，如下公式（6）为雷诺数计算公式：
式中称为运动学粘性系数，可得/>，/>，说明流动状态属于湍流运动，根据J/80帆船的特征长度L=3.81m，取湍流尺度l=0.07，湍流强度。
设置流体属性(25℃)：空气密度，流体速度/>，空气动力粘性系数/>。
置边界条件：入流边界面（速度入口），出流边界面（压力出口），海平面（无滑移壁面），帆、船表面（无滑移壁面）。
设置主帆面积，设置前帆面积/>。
这里采用基于fluent的有限体积法（finite volume method）将偏微分方程离散化为代数方程，并进行数值求解。
步骤3：监测模拟过程中气动力的变化，分析和评估求解结果，并对多帆帆船的三维结构模型、求解条件、网格划分方式等进行调整，直至计算结果趋于稳定，具体包括：
设置监测物理量：在帆船的气动力模拟中，主要监控帆的升阻力、整船升阻力等物理量；
进行CFD数值模拟：使用fluent软件进行帆船气动力数值模拟，根据设定的计算参数和边界条件，求解离散化的N-S方程组，直至两次迭代的流场结果差异小到可以忽略，全局性能已经达到平衡，监测的物理量达到稳定值。
模型的校核与修正：对计算结果进行评估，评估内容包括网格独立性、收敛性、计算模型等，依据评估结果对三维模型、求解条件、网格划分方式等进行调整，直至模拟精度符合要求。
步骤4：调整帆翼开合角度与船体航向，重复上述模拟实验，获得不同迎风角下的气动力数据，包含船体迎风角、主帆角、前帆角和升阻力等参数，建立气动力数据库。
示例性实施例中，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型中的水动力学模型，包括：
本实施例中，采用分离建模的思想对帆船受力进行分析建模。基于多帆帆船的三维结构和多帆帆船各部件的受力情况与波浪力模型，建立多帆帆船的水动力学模型，包括：
基于船体、龙骨、舵受到的纵向力以及航行环境产生的纵向力确定前进自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横向力以及航行环境产生的横向力确定横漂自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横倾力矩以及航行环境产生的横倾力矩确定横摇自由度上的合力矩；
基于船体、龙骨、舵受到的转首力矩以及航行环境产生的转首力矩确定艏摇自由度上的合力矩。
本实施例中，对于船体而言，其受到的作用力如下公式（7）所示：
其中，为船舶的直航阻力，流体动力导数/>的无量纲化估算公式见如下公式（8）：
其中，Cf为摩擦阻力系数，Re为雷诺数，SW为船体湿表面积，为形状因子。
实施中，平野模型将横向水动力和水动力矩YHV、NHV分解为受横倾影响和不受横倾影响的两项，是主要部分，为无横倾时船体所受的流体动力和力矩，采用井上模型给出的经验公式（9）计算：
假设案例帆船纵倾为零，上式中无因次水动力导数可表达为：
为计入横倾运动时需附加的横向力和力矩，/>等均为水动力导数，平野模型的研究给出：
船舶运动引起的横摇粘性力矩KHV中，是横摇阻尼力矩，/>是横摇恢复力矩，/>船体流体动力YH对z轴的横摇力矩，，ZH为YH作用点的z坐标，/>。
具体的，对于横摇阻尼力矩而言，当横摇角/>时：
当横摇角时：
ka、kb为横摇消灭曲线得到的衰减系数，GM为初稳性高度。对于横摇恢复力矩而言，当横摇角/>时：
当横摇角时：
其中，为船舶进水角，也可称为船舶稳性消失角。
对于龙骨而言，可以将龙骨末梢旋转体的质量划归于船体中考虑，对于舵和龙骨的翼型部分，均采用通过风洞试验得到的NACA0012翼型的升阻力系数进行计算，其受力情况如下公式所示：
其中，和/>分别为龙骨处有效来流速度/>在附体坐标系中/>、/>轴的速度分量；xr、yr、zr分别为来流对船舵的合力作用点在Gx、Gy、Gz轴的位置坐标；/>是在龙骨处的相对水流角，/>是龙骨处来流攻角。
Lk、Dk是水动力对龙骨产生的升力和阻力，Sk是龙骨的面积。对于船舵而言，其受力如下公式所示：
其中，和/>分别为舵前有效来流速度/>在附体坐标系中Gx、Gy轴的速度分量xr、yr、zr分别为来流对船舵的合力作用点在Gx、Gy、Gz轴的位置坐标；/>是在舵处的相对水流角，/>是舵前来流攻角。
是水动力对船舵产生的升力和阻力，/>是船舵的面积。在海浪作用下，船体的受力情况如下公式所示：
其中，W1、W2分别表示一阶波浪干扰力与二阶波浪漂移力。
L为船长，B为船宽，为波幅，/>为波长，/>为浪向角，k为波数/>，/>为波浪圆频率/>，/>为波浪遭遇频率/>，这里的速度U是固定坐标系下的；/>为波浪周期/>；/>为船舶浮心的垂向坐标。
为二阶波浪漂移力系数，采用下面的经验公式（29）估算：
示例性实施例中，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型中的运动学模型，包括2个步骤：
步骤1：基于多帆帆船的三维结构与牛顿运动定律，确立附体坐标系与惯性坐标系，具体包括：
帆船四自由度模型必须先规定坐标系，图2是本发明实施例提供的帆船运动坐标系的示意图，如图2所示，通常采用两种坐标描述帆船在海上的运动：惯性坐标系统（固定坐标系统）O-XYZ和附体坐标系统o-xyz（运动坐标系统）两者均为右手坐标系，两种标系统下的运动量通过运动学方程互相转换。
步骤2：基于多帆帆船的空气动力学模型和水动力学模型的分解结果，在前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度上进行合力或力矩的计算，建立四自由度多帆帆船运动学模型，具体包括：
建立如下公式（30）所示的运动学模型：
/>
为帆船在惯性坐标系下沿X轴方向的速度，/>为帆船在惯性坐标系下沿Y轴方向的速度，/>是艏摇角速度，/>是横摇角速度，/>是艏摇角（如图2(c)），/>是横摇角（如图2(c)所示），/>是附体坐标系下帆船沿x轴方向的速度，v是附体坐标系下帆船沿y轴方向的速度，r是附体坐标系下的艏摇角速度，p是附体坐标系下的横摇角速度。实施中，还可以考虑帆船受到的力和力矩对运动的影响建立动力学模型，其中帆船受到的力和力矩可以包括推进力、阻力、航向力和侧向力以及转矩。
其中推进力：描述帆船受到的推进力，可以是船体自身的推进力或者外部的推进力；
阻力：描述帆船受到的阻力，包括水阻力、风阻力和摩擦阻力等；
航向力和侧向力：描述帆船受到的风、浪、流等外部环境力对船体航向和侧向的影响；
转矩：描述帆船受到的力矩，包括帆的拉力和舵的操纵对船舶姿态的影响。
实施中，可以假设帆船为一个刚体，其形状、内部质量分布不会随着帆船运动而发生改变。根据刚体质心运动理论以及分离建模思想，在随船坐标系下建立包含如下公式（31）所示的动力学模型的四自由度操纵运动方程：
式中：m为船体质量；分别为船体质量绕x、z轴的惯性矩；/>分别为船体的纵向、横向速度，/>分别为船体的纵向、横向加速度；p、r分别为船体的横摇、艏摇角速度/>分别为船体的横摇、艏摇角加速度；
其中，分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的以及海浪产生的纵向力；
分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的以及海浪产生横向力；
分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的以及海浪产生横倾力矩；
分别为表示船体、龙骨、舵、帆受到的以及海浪产生转首力矩；
其中，HI、HV分别表示船体的惯性类水动力和粘性类水动力；
式中：纵向附加质量、横向附加质量，/>与/>体绕x、z轴的附加转动惯性矩，综合以上各式可得出以下四自由度动力学方程组：
进一步的，附加质量和转动惯性矩按照周昭明对日本著名的元良图谱进行多元回归分析得到的公式（35）以及经验公式（36）进行计算：
示例性实施例中，帆船的航行环境包括海风和海浪，对帆船的航行环境进行仿真，包括：
通过随机算法对海风添加扰动，以模拟日常环境下的海风环境效果；
基于海浪谱与尾迹拓展公式建立可交互海浪模型。
实际应用中，由于风力等级在训练前的UI部分进行设定，故将风向、风速的变量设置在UI单例框架的Root节点中，且保证在本系统操作中，该Root节点始终不被销毁，进而在教学部分的海风控制器中读取到风向、风速信息，通过Xorshift随机算法对海风数据添加扰动，以模拟日常环境下的海风环境效果，在统一坐标系后，输入风向信息到海浪模型和船帆模型中。
示例性实施例中，基于海浪谱与尾迹拓展公式建立可交互海浪模型，包括：
通过帆船所受浮力模拟海浪对帆船的影响；
通过帆船在海面上航行生成的尾迹来模拟帆船对海浪的影响。
具体的，本实施例中，公开了海浪对帆船的影响和帆船对海浪的影响两方面内容，具体的，通过如下公式确定海浪对帆船的影响：
其中，k为帆船浸没在海水中的比例（取值范围为0-1），为单元点的体积，/>为单元点在y轴上的坐标轴，/>为单元点高度，最后求得当前J80帆船高度H。
实施中，可以通过帆船在海面上生成的尾迹来模拟帆船对海浪的影响，如下公式所示：
其中为帆船尾迹扩展宽度，/>为尾迹的张角，B为帆船宽度，L为帆船长度。
示例性实施案例中，步骤103进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练，包括2个步骤：
第1步：帆船操纵仿真是基于四阶龙格-库塔法，实现四自由度多帆帆船操纵运动模型进行帧同步解算，满足帆船操纵运动实时仿真的需要。具体包括：
示例性实施例中，四阶龙格-库塔法（Fourth-Order Runge-Kutta Method）数值求解常微分方程（ODE），其计算步骤如下：对于给定的初始条件，要求解的ODE为，其中t为自变量，y为因变量。设置时间步长h，求解的总时长为外部输入的单帧生成时间，基于总时长与时间步长获得计算步数，如下公式（37）所示，分步计算中间变量：
其中，ti表示当前时间，yi表示当前的因变量值，yt+1表示下一个时间步的因变量值，重复以上计算步骤，直至完成所有时间步的计算，获得单帧仿真数据，在生成每帧数据的同时使用以上公式计算仿真数据，实现仿真。
第2步：结合仿真航行环境，实现包含多功能模块的多帆帆船模拟操纵系统。该系统具备帆船控制功能模块、音效功能模块、UI功能模块。其中，帆船控制功能模块，包含用户对多帆帆船的各个帆的协同操作及压舷、掌舵等基础操作的逻辑控制，用以实现各种帆船操作的控制策略。
下面对本发明提供的帆船操纵仿真训练系统进行描述，下文描述的帆船操纵仿真系统与上文描述的帆船操纵仿真方法可相互对应参照。
图3是本发明实施例提供的帆船操纵仿真训练系统的结构示意图。如图3所示，本实施例提供的帆船操纵仿真训练系统包括：
帆船运动建模模块301，用于构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，包括前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，四自由度操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型和运动学模型；
环境仿真模块302，用于对帆船的航行环境进行仿真；
操纵仿真训练模块303，进行帆船操纵仿真，实现用户在仿真的航行环境中进行多帆帆船操纵训练。
具体的，帆船操纵仿真训练模块主要帆船操纵模型的实时解算、包括帆船控制模块、UI模块、音效模块及教学模块和训练模块。
实施中，帆船控制模块中，为满足各个教学项目的对船帆控制的需求，制定多样化的操船策略，本系统通过多帆协同的操作方法同时控制球帆、前帆、主帆，用户可以通过按键调整球帆、前帆、主帆的张力和角度，来控制帆船前进的方向、速度和转向能力，通过对每个帆的精确操作，实现帆船在不同风向和航行条件下的灵活性；此外，为增加仿真效果，保持帆船灵活性本节为帆船的船帆添加了风向感应，使船帆始终处于下风向的一侧，依据风向的变化自动调整各个帆的角度和张力，以最大程度地利用风力。球帆操纵控制上，用户可以选中后调整和控制球帆的位置和角度，由于在实际帆船情况下，球帆没有明确的角度，本系统中依据风向和风力的大小，设定各级球帆鼓起方向和球帆的开角大小；前帆通常是帆船最重要的推进来源之一，本系统允许用户通过选中前帆后通过按键来控制前帆的开角，来实现最佳的推进效果；主帆是帆船上最大的帆，也是控制帆船航行方向和稳定性的关键元素之一，本系统允许主帆绕主桅杆进行不同的开角，允许主帆的收起或展开；此外，在船舵控制上，用户可以通过按键直接改变船舵角度，以实现对帆船方向的精确控制。
UI模块，主要包含对帆船及环境信息的可视化。为帮助帆船学习用户更好的理解和应对不同环境条件下的航行挑战，提高帆船航行效率，本系统提供了对帆船及环境信息的可视化。首先，在帆船位置和姿态上，可以实时显示帆船的速度，在地图中显示帆船位置，为了用户在第三人称视角下更容易获取到帆船姿态，这样用户可以清晰了解帆船的状态，依据需要进行调整；其次，为让用户更好地理解风力对帆船的影响，本系统对风力进行了矢量可视化，借助粒子流线系统显示风向并借助流线速度显示风的强度，这样用户可以直观了解风对帆船的推进和稳定性的影响；环境数据可视化上，本系统通过风向盘较直观的显示帆船与风向的夹角，通过数字图表盘显示目前的风速，同时，为了满足教学模块指定路线航行的需要，通过粒子系统生成箭头光标规划显示帆船行进路线。
音效模块，主要通过单例模式进行音频源和音频片段的管理，所有的模块组件共享一份音频资源，通过单例调用，各种音频资源以全局方式在各个帆船教程中被调用和访问；另外，音频实例负责加载、播放、暂停、停止和释放音频资源，通过单例模式统一管理音频资源，避免资源浪费；最后，音频模块能维护目前的音频状态，如音量设置、静音状态等，本模块统一管理更新这些状态，从而确保系统中音频行为一致。
教学模块，依赖于帆船控制功能模块、音效功能模块、UI功能模块的配合，通过设置不同步骤的任务提示，实现用户对多帆帆船的掌舵、操帆、换舷等基础操作的学习；本系统开发了迎风和顺风时的帆船驾驶方式教学仿真及三角绕标训练、八字绕标训练，用户在UI界面了解学习后可以在虚拟环境中体验不同风向风速下的帆船操纵，系统为用户设定教学目标，结合位置触发器和帆船姿态检测，对帆船任务目标达成度进行检测，在用户偏离航线或未完成目标任务后，将重置教学返回上级，使用户能够再次进行帆船操纵学习。
训练模块，依赖于帆船控制功能模块、音效功能模块、UI功能模块的配合，通过设定航行环境信息及选择训练航行路线，实现用户在规定航线上的航行操纵模拟训练。具体流程如下所示。
本实施例提供的帆船操纵仿真训练系统的具体实施方法可以参照上述实施例进行实施，此处不再赘述。
图4是本发明实施例提供的帆船操纵模拟训练的流程示意图。
基于上述帆船操纵仿真系统，如图4所示，本实施例还提供了一种应用该发明进行帆船操纵模拟训练的实现方法，包括：
S1、设置帆船的初始状态；S2、设置航行环境中的风况信息；
S3、设置UI提示和背景音效；S4、设置高亮UI操作提示；
S5、用户控制帆船进行实操；S6、任务检测。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行帆船操纵仿真方法。此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的帆船操纵仿真方法。又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的帆船操纵仿真方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，既可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.帆船操纵仿真方法，其特征在于，包括：
构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，包括前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，所述四自由度多帆帆船操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型和运动学模型；
对帆船的航行环境进行仿真；
进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练；
所述多帆的空气动力学模型通过如下方式构建：
对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，进行无量纲化处理获得每个帆翼的气动力系数，并计算各帆翼气动力系数随各自攻角的变化情况；
将每个帆翼产生的气动力分别分解到四个自由度上，建立多帆的空气动力学模型；
所述水动力模型通过如下方式构建，包括：
基于船体、龙骨、舵受到的纵向力以及航行环境产生的纵向力确定前进自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横向力以及航行环境产生的横向力确定横漂自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横倾力矩以及航行环境产生的横倾力矩确定横摇自由度上的合力矩；
基于船体、龙骨、舵受到的转首力矩以及航行环境产生的转首力矩确定艏摇自由度上的合力矩；
所述运动学模型通过如下方式构建，包括：
基于多帆帆船的三维结构与牛顿运动定律，确立附体坐标系与惯性坐标系；
基于多帆帆船的空气动力学模型和水动力学模型的分解结果，在前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度上进行合力或力矩的计算，建立多帆帆船的四自由度运动学模型；
所述进行帆船操纵仿真，包括：
基于四阶龙格-库塔法，实现四自由度多帆帆船操纵运动模型进行帧同步解算，满足帆船操纵运动实时仿真的需要；
结合仿真的航行环境，实现包含多功能控制的多帆帆船模拟操纵仿真，其中所述多功能控制包括帆船控制、音效控制、UI控制以及教学和训练控制；所述帆船控制包括用户对多帆帆船的各个帆的协同操作及压舷、掌舵的基础操作的逻辑控制，用以实现各种帆船操作的控制策略。
2.根据权利要求1所述的帆船操纵仿真方法，其特征在于，所述对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，包括：
构建包含多帆及船体的整船三维结构模型，以及建立与整船的三维结构模型对应的计算域，并进行网格划分和加密；
对整船所处流体环境建立N-S方程，引入湍流模型，并设置流体属性和边界条件，进行CFD数值模拟求解N-S方程；
监测模拟过程中气动力的变化，分析和评估求解结果，并对整船的三维结构模型、求解条件、网格划分方式等进行调整，直至计算结果趋于稳定；
调整帆翼开合角度与船体航向，重复上述模拟实验，获得不同迎风角下的气动力数据，包含船体迎风角、主帆角、前帆角和升阻力等参数，建立气动力数据库。
3.根据权利要求1所述的帆船操纵仿真方法，其特征在于，所述帆船的航行环境包括海风和海浪，所述对帆船的航行环境进行仿真，包括：
通过随机算法对海风添加扰动，以模拟日常环境下的海风环境效果；
基于海浪谱与尾迹拓展公式建立可交互海浪模型。
4.根据权利要求3所述的帆船操纵仿真方法，其特征在于，所述基于海浪谱与尾迹拓展公式建立可交互海浪模型，包括：
在帆船随海浪四自由度运动的基础上，通过增加帆船所受浮力，模拟海浪对帆船起伏的影响；
通过所述帆船在海面上航行生成的尾迹来模拟帆船对海浪的影响。
5.帆船操纵仿真训练系统，其特征在于，包括：
帆船运动建模模块，构建四自由度多帆帆船操纵运动模型，包括前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度，所述四自由度多帆帆船操纵运动模型包括多帆的空气动力学模型、水动力学模型和运动学模型；
环境仿真模块，用于对帆船的航行环境进行仿真；
操纵仿真训练模块，用于进行帆船操纵仿真，实现用户模拟操纵多帆帆船训练；所述操纵仿真训练模块包括帆船控制模块、音效模块、UI模块以及教学和训练模块；所述帆船控制功能模块，包含用户对多帆帆船的各个帆的协同操作及压舷、掌舵等基础操作的逻辑控制，用以实现各种帆船操作的控制策略；
所述多帆的空气动力学模型通过如下方式构建：
对包含多帆及船体的整体帆船进行CFD数值模拟，并计算各个帆翼产生的气动力，进行无量纲化处理获得每个帆翼的气动力系数，并计算各帆翼气动力系数随各自攻角的变化情况；
将每个帆翼产生的气动力分别分解到四个自由度上，建立多帆的空气动力学模型；
所述水动力模型通过如下方式构建，包括：
基于船体、龙骨、舵受到的纵向力以及航行环境产生的纵向力确定前进自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横向力以及航行环境产生的横向力确定横漂自由度上的合力；
基于船体、龙骨、舵受到的横倾力矩以及航行环境产生的横倾力矩确定横摇自由度上的合力矩；
基于船体、龙骨、舵受到的转首力矩以及航行环境产生的转首力矩确定艏摇自由度上的合力矩；
所述运动学模型通过如下方式构建，包括：
基于多帆帆船的三维结构与牛顿运动定律，确立附体坐标系与惯性坐标系；
基于多帆帆船的空气动力学模型和水动力学模型的分解结果，在前进、横漂、横摇、艏摇四个自由度上进行合力或力矩的计算，建立多帆帆船的四自由度运动学模型；
所述环境仿真模块还用于：
基于四阶龙格-库塔法，实现四自由度多帆帆船操纵运动模型进行帧同步解算，满足帆船操纵运动实时仿真的需要；
结合仿真的航行环境，实现包含多功能控制的多帆帆船模拟操纵仿真，其中所述多功能控制包括帆船控制、音效控制、UI控制以及教学和训练控制；所述帆船控制包括用户对多帆帆船的各个帆的协同操作及压舷、掌舵的基础操作的逻辑控制，用以实现各种帆船操作的控制策略。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至4任一项所述帆船操纵仿真方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |