全任务航海仿真系统的评价方法及关键技术研究

全任务航海仿真系统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。评价全任务航海仿真系统性能的优劣,主要用三个真实感:行为真实感、环境真实感和物理真实感来衡量。行为真实感由所采用的船舶运动数学模型所确定,环境真实感主要由视景系统所确定,物理真实感主要由所采用的仿真驾驶台及仪器设备所确定。详细介绍全任务航海仿真系统所涉及的关键技术:体系结构及和三个真实感衡量标准所对应的船舶运动数学模型、视景系统和仿真设备。

航海雷达仿真数据生成算法及实现

为生成任意范围内的雷达仿真数据以满足航海模拟器对雷达图像连续性的要求,提出一种航海雷达仿真数据生成算法。从多种比例尺的S-57标准电子海图中提取出海图数据作为雷达仿真原始数据,提出一种基于前向距离的离群点索引算法裁剪该数据的边界线,存储数据分段并构建缓冲区进行数据合并去重,根据待拼接原始海图比例尺和数据密度的大小提出基于中值连接法和误差分配理论的衰减连接法进行图像缝隙的自动连接。用VC++编程实现航海雷达仿真数据生成软件的开发,其功能包括文件选择、数据提取、数据筛选、边界线裁剪和雷达仿真数据合并。以江苏洋口港的93张海图为例,生成的大范围雷达仿真数据连续,能达到逻辑无缝、物理无缝的图像拼接效果,能满足航海模拟器的实际需求。

公约、技术与航海模拟器的发展

航海模拟器的发展既受到各种技术进步的影响,也深受相关条约法规的制约。挪威船级社2007年10月对航海模拟器系统认证标准的修改充分印证了这一点。跨入新世纪以来,随着虚拟现实技术的进步,尤其是图形技术的快速发展为实时生成具有影视级真实感视景成为可能,图形生成系统从高档图形工作站到微机集群的转换,软件几何校正边缘融合技术在宽视场角环幕投影中的应用大幅度降低了视景系统在航海模拟器中的开发成本,为多本船航海模拟器系统创造了条件,包括多本船体系结构在内的综合化趋势将越来越明显。另一方面,六自由度船舶运动数学模型的研究也显得越来越迫切,需要投入更多的精力。

视景图形绘制方法生成航海雷达图像关键技术

针对扫描线与岸线求交算法生成的航海雷达图像物标间遮挡关系不明确、陆地内部回波缺失问题,提出利用着色器程序计算雷达探测距离,通过绘制视景图形并提取帧缓存数据来生成仿真雷达图像。该方法利用纹理映射实现快速坐标转换和消除仿真图像的死点现象。对仿真图像中回波不连续问题进行了分析并提出了缓解措施。视景图形绘制方法生成雷达图像避开了求交计算的瓶颈,仿真结果表明,生成的雷达图像质量较现有模拟器有显著提高。

航海模拟器智能评估方法综述

评估方法的合理性对航海模拟器训练考核与评估的结果有重要影响。为降低主观因素对评估结果的影响及充分利用已有的定性和定量信息,在介绍航海模拟器中评估系统、机器学习算法、云模型及综合集成研讨厅的研究现状的基础上,指出传统评估方法的缺陷,对航海模拟器智能评估方法中存在的问题进行总结。针对航海模拟器训练考核与评估需求,探究航海模拟器智能评估新思路,为进一步深入研究奠定理论基础。

自适应异构传感网节能优化拓扑控制研究

针对传统的节能优化算法没有充分考虑节点间的通信距离和节点失效后重新分簇等问题,为了延长网络的生存期,提出一种自适应优化异构无线传感器网络拓扑结构控制算法。提出的算法首先基于传输数据跳数和相邻传感器之间通信距离,依据相似三角形几何原理,结合具体应用场景对传感器节点的分簇、成簇等操作进行自适应优化控制。仿真实验表明:改进的算法可以高效控制给定数据采集监测区域所有节点的网络拓扑,同时极大地延长了异构传感网的生命周期。

全回转拖轮操纵运动建模与仿真

为提高拖轮操纵模拟器的行为真实感,运用操纵性理论和分离型建模思想,建立全回转拖轮适用于四象限全工况操纵运动的数学模型。通过处理导管桨JD75系列和四象限螺旋桨Nordstrom系列试验图谱后,提出了导管桨四象限推力模型,同时提出了一种适用于全速域的拖轮船体水动力模型。搭建拖轮运动模拟平台,开展一系列操纵性仿真试验,包括速度试航试验、螺线试验、Z形试验、回转试验及停船试验。将仿真数据与Force Technology公司提供的试验数据进行比较分析,一致性良好,表明该模型精度可满足航海上仿真的需要。

船用回声测深仪仿真设备

为了减小船员培训中使用回声测深仪真实设备的成本,以及作为航海模拟器的一部分,开发回声测深仪的仿真设备很有必要.为了与真实设备在操作和功能上达到高度一致,设计了一种海底回波生成的算法,模拟了海底回波与杂波的显示,以及设计了一种能用鼠标拉动旋钮旋转的算法对回声测深仪真实设备的旋钮操作进行了模拟,并且对界面的实现进行了简单的阐述.在此基础上,利用Visual Studio 2010对SKIPPER公司GDS101型号的回声测深仪进行了仿真实现.实践表明该仿真设备可模拟回声测深仪的全部功能,仿真效果良好,并已应用在航海仪器智能评估系统中.

使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正

针对快速傅里叶逆变换形式Gerstner波绘制海浪出现波幅畸变的问题,提出使用波数谱绘制海浪波幅畸变的校正方法.首先重新推导了包含基元波振幅的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波;然后用右侧Riemann求和对波数谱的定积分进行离散,离散积分域的边界值由快速傅里叶逆变换对波数向量的采样方式决定,得到基元波振幅的近似解;最后将该近似解代入上述推导所得的形式中,得到傅里叶系数中包含波数谱和离散积分域面积的快速傅里叶逆变换形式Gerstner波.实验结果表明,采用该方法可以准确地计算海浪势能和基元波振幅,绘制结果波形稳定,有效地解决了波幅畸变的问题.

海浪绘制中波浪谱的选择和参数计算

分析了Phillips波浪谱结构,指出该谱是由符合Neumann形式的频率谱和国际拖曳水池会议推荐的方向分布函数构成的方向谱,Phillips谱的频率谱与P-M谱接近。参考P-M谱提供的方法给出了Phillips谱风速的确切含义并计算出该谱的常数,解决了其在应用中未尽的问题。比较PM-ITTC方向谱和Phillips谱的绘制结果,发现用Phil-lips谱绘制的海浪低频长波更加突出。对Phillips谱和PM-ITTC方向谱进行比对,发现Phillips谱的谱峰频率与PM-ITTC方向谱接近,但谱宽更窄,能量更集中于低频部分。为Phillips谱增加了风距参数,使绘制结果能反映风速、风距对海浪的影响。绘制的海浪传播方向、波高随风速变化而变化,与航海实际情况相符,已应用于航海模拟器。

会遇态势相关的雷达标绘评估模型研究

雷达标绘评估是雷达两证模拟器实际操作评估的重要组成部分,目前评估仍采用主观性较强的人工评判,因此有必要实现雷达标绘自动评估。雷达标绘自动评估的关键是雷达标绘评估模型,为此提出了与会遇态势相关的雷达标绘评估模型。首先对雷达标绘中目标船和本船的会遇态势进行分类,根据评估要素重要程度和观测与标绘精度需要设置评估要素权重和允许误差范围,进而构造隶属度函数对受训人的雷达标绘操作进行自动评估。本评估模型已经应用于雷达模拟器上,取得了较好的效果。

流体与海浪绘制综述

对流体与海浪绘制进行了综述.首先,对流体与海浪的绘制方法进行分类,并介绍了各绘制方法的研究进展.流体与海浪的绘制方法可分为两大类:基于模型的绘制、基于视频数据的绘制.基于模型的绘制可分为基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型的绘制、基于Perlin噪声模型的绘制、基于Gerstner波模型的绘制.其中,基于CFD模型的绘制又可分为基于Euler法的绘制、基于Lagrange法的绘制;基于Gerstner波模型的绘制又可分为直接使用Gerstner波模型的绘制、使用快速傅里叶逆变换形式Gerstner波模型的绘制.基于视频数据的绘制可分为可控水体的绘制、大尺度水体的绘制.进而,对上述绘制方法进行比较,分析了各绘制方法的优缺点、适用范围.最后,探讨了各绘制方法的发展趋势.

以海面质点垂向加速度为判据的白浪绘制

白浪绘制中常用海面高程、Jacobian行列式作为白浪生成的判据,但这两种方法缺乏海洋工程相关理论的支持,绘制结果不够逼真。针对上述问题,本文提出了以海面质点垂向加速度为判据的白浪绘制方法。推导了海面质点垂向加速度的快速傅里叶逆变换形式,并给出了以海面质点垂向加速度为变量的连续型白浪覆盖率随机函数,通过调整该函数的参数来控制白浪消逝的时间。实验结果表明:用该函数计算的白浪覆盖率均值与采用统计模型计算的白浪覆盖率相等。将该白浪覆盖率作为融合因子,融合白浪纹理像素颜色和海面像素颜色。本文提出的白浪绘制方法有合理的理论依据,计算量小,绘制的白浪与蒲氏风级对白浪的描述接近,帧率可以达到实时计算。

无粘性海浪实时绘制综述

根据是否考虑液体粘性,对海浪绘制进行分类,并对无粘性海浪实时绘制展开综述。无粘性海浪的绘制忽略了液体粘性,绘制结果能体现风的影响,且绘制实时性好。无粘性海浪的实时绘制可分为基于规则波的方法和基于不规则波的方法,真实的海浪可以视为随机过程,因此基于不规则波的方法较之于基于规则波的方法更接近实际情况。提出基于不规则波方法中可能的改进:对基于不规则波方法中所用的海浪谱进行改进,使绘制结果能体现风速、风距的影响。

海浪实时绘制中波浪谱的选择

Phillips谱是海浪实时绘制中常用的波浪谱。首先分析了Phillips谱的结构,指出该谱是一个瞬时空间谱,其频率谱符合Neumann形式,与P-M谱接近,其方向分布函数为国际拖曳水池会议推荐的形式。令P-M谱与Phillips谱具有相同的单位面积波能,给出了Phillips谱风速的确切含义并计算出该谱的常数。除了使用Phillips谱,还尝试其它形式的谱。用P-M谱和cos-2s形式方向分布函数构造了瞬时空间谱PM-cos2s形式,用JONSWAP谱和Poisson形式方向分布函数构造了瞬时空间谱J-Po形式。比较3种谱的绘制结果发现,使用Phillips谱、PM-cos2s谱的绘制结果均能反映风速对海浪的影响,不能反映风距的影响,使用J-Po谱的绘制结果既能反映风速、也能反映风距对海浪的影响,且三者的绘制帧率一致。如果要选择适合航海模拟器中海浪绘制的瞬时空间谱,该谱的风参数既应包括风速,也应包括风距,且生成波应在风向的(-?,?]范围内,因此J-Po谱在三者中最适合航海模拟器。绘制结果已应用于航海模拟器中。

基于改进最大熵算法系统传输速率优化研究

研究系统速率优化提高问题。随着用户对系统的传输速率要求越来越高,传统的系统优化传输速率算法由于参数设置难,而造成算法复杂度特别高,使得系统的传输速率降低,为了解决上述问题,在基于误比特率和功率的分析基础上,提出了一种改进的最大熵算法优化系统传输速率方法。方法首先给出系统模型并提出自适应最大熵调制算法理论,然后在发送端和接收端能够完全知道信道状态信息的情况下,给出了最大化传输速率的低复杂度比特和功率分配算法。仿真结果表明,提出的算法可以有效地满足系统地误比特率要求,同时大大降低了系统的计算复杂度,是一种有效地系统传输速率优化方法。

基于Q-Learning的无人驾驶船舶路径规划

为实现无人驾驶船舶在未知环境中自适应航行,建立一种基于Q-Learning的无人驾驶船舶路径规划模型。应用基于马尔科夫过程的Q学习算法,分别就环境模型、动作空间、激励函数及动作选择策略4大要素建立模型,设计激励函数,规划最优策略,使得无人驾驶船舶路径规划过程中所获奖赏最大;利用python和pygame平台建立仿真环境,仿真结果表明,该方法可有效地在未知环境中规划出较优路径及成功避让多个障碍物。

双向通航港口船舶调度优化模型与算法

为提高双向通航港口船舶调度的安全性和调度效率,研究双向通航港口船舶调度优化模型和算法。考虑船舶属性和船舶交通状况等因素,基于船舶调度安全性、连续性和高效性要求,建立以单向/双向通航模式转换、航道与泊位协调和安全性为约束的双向通航港口船舶调度多目标优化模型;设计双向通航港口船舶调度多目标遗传算法获取最佳调度方案。对试验所求的调度方案进行一般性安全检验、双向通航安全检验和双向通航与单向通航转换安全性检验,结果表明:提出的双向通航港口船舶调度优化模型与算法能在保证安全的前提下有效获取船舶调度方案,提高双向通航港口船舶调度效率。

基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法

[目的]为实现沿海无人驾驶船舶自主航行,充分考虑无人驾驶船舶智能避碰决策的合理性和实时性后,提出并建立一种基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法。[方法]首先,以本体论为基础,设计无人驾驶船舶航行态势本体概念模型,并结合《国际海上避碰规则》及良好的船艺将船舶航行态势量化划分为12种会遇场景;然后,从驾驶实践的角度改进影响碰撞危险度因子的模糊隶属度函数,提出一种多元碰撞危险度评估模型,实现船舶碰撞危险度的精确计算;最后,以船舶避碰总路径最短为目标函数,提出一种基于驾驶员视角(BOP)的智能避碰决策模型,在船舶操纵性、舵角限幅等约束下求解最优避碰策略,并在典型的会遇场景下进行仿真实验。[结果]结果表明,该方法可以准确判断驾驶航行态势,给出合理的转向策略,实现典型会遇场景下的有效避碰。[结论]所做研究可为实现船舶自主航行提供理论基础和方法参考。

未知环境中无人驾驶船舶智能避碰决策方法

[目的]为了实现无人驾驶船舶在未知环境下的智能避障功能,[方法]首先,建立一种基于深度强化学习(DRL)技术的无人驾驶船舶智能避碰决策模型,分析无人驾驶船舶智能避碰决策面临的问题,提出智能避碰决策的设计准则。然后,在此基础上,建立基于Markov决策方法(MDP)的智能避碰决策模型,通过值函数求解决策模型中的最优策略,使无人驾驶船舶状态对行为映射中的回报最大,并专门设计由接近目标、偏离航线和安全性组成的激励函数。最后,分别在静态、动态障碍环境下进行仿真实验。[结果]结果表明,该智能决策方法可以有效避让障碍物,保障无人驾驶船舶在未知水域中的航行安全,[结论]所提方法可为无人驾驶船舶的自主航行提供理论参考。