0 引　言

船舶驾驶仿真研究是指利用计算机技术和仿真软件来模拟船舶驾驶过程，以实现对船舶驾驶行为和性能的研究和评估。近年来，船舶驾驶仿真技术在船员模拟训练等方面的应用越来越广，船舶驾驶仿真系统已成为一项热点研究^{[1 − 2]}。

本文建立舰船推进系统的数学模型，进行船舶本体、推进装置、舵机和动力系统的虚拟建模。通过MultiGen Creator软件的场景编辑功能，创建各种不同的水域环境，如海洋、河流或港口下的虚拟驾驶场景。同时，设置各种不同的航行任务。基于MultiGen Creator软件的多功能插件，虚拟驾驶系统可以实时计算和显示船舶的运动轨迹和状态信息，模拟各种不同的外部环境因素，如风力、海浪等，为驾驶仿真系统的用户提供逼真的场景体验。

1 虚拟现实技术的研究现状

虚拟现实技术作为一项热点研究，结合了计算机、互联网、传感器、通信技术，搭建了从用户到虚拟环境之间的桥梁，主要包括检测模块、传感器、三维建模、控制模块等^[3]，其原理如图1所示。

1）传感器技术

结合传感器技术，可以提供更真实、沉浸式的虚拟现实体验。根据虚拟现实系统的仿真类型不同，传感器可以分为多种类型：

① 身体追踪器。头部追踪器通过追踪用户头部的位置和姿态，实时更新虚拟现实场景中的视角。常见的头部追踪器包括陀螺仪、加速度计和磁力计。手部追踪器用于捕捉用户手部的位置和动作，使用户能够在虚拟现实场景中进行手势交互。身体追踪器通过追踪用户身体的位置和姿态，实现全身运动捕捉。常见的身体追踪器包括红外线传感器、摄像头和惯性测量单元。

② 环境感知传感器。利用激光雷达、声波传感器等感知用户周围的环境信息，如距离、深度和物体位置。环境感知传感器将实际场景中的目标三维坐标进行求解和投影，反馈给用户。

2）三维建模技术

对于船舶驾驶仿真来说，虚拟场景需要构建的模型包括船舶模型、海浪模型等。常用的三维建模包括手工建模和扫描建模2种，其中，手工建模是指通过专业的三维建模软件，如3D Max、Maya等，手动创建和编辑三维模型。这种方法需要工程师具备良好的艺术和技术能力，能够将现实世界的物体或场景准确地转化为三维模型。扫描建模是指使用3D扫描仪等设备对现实世界的物体进行扫描，获取其几何形状和纹理信息，并将其转化为三维模型。这种方法适用于复杂的物体或场景，可以快速获取高精度的三维模型。

3）场景渲染技术

三维建模直接决定了该虚拟现实场景的逼真度。虚拟现实技术需要实时渲染高质量的3D图形，以呈现逼真的虚拟环境，涉及图形学、光照模型、材质贴图等技术。

2 基于虚拟现实技术的船舶驾驶仿真 2.1 船舶虚拟驾驶仿真整体设计

船舶虚拟驾驶仿真整体设计需要综合考虑船舶的物理特性、航行环境、操纵系统和用户交互等多个因素，以实现一个逼真、可靠和易用的虚拟驾驶体验。虚拟驾驶仿真过程包括以下环节：

1）船舶模型设计。根据具体的船舶类型和参数，设计船舶外观和内部结构模型。船舶模型包括船体、船舱、船桥等，并且能够根据用户的操作，实时调整船舶姿态和运动状态。

2）航行环境模拟。根据航行区域的地理和气象条件，模拟船舶的航行环境，包括海洋、河流、港口等水域模拟，以及风速、风向、浪高等气象条件模拟。

3）操纵系统设计。设计船舶的操纵系统，包括舵、推进器等控制设备，用户可以通过操纵系统对船舶进行转向、加速、减速等操作，并且能够实时反馈船舶的运动状态。

4）船舶动力学模拟。根据船舶的物理特性和运动原理，建立船舶的动力学模型，模拟船舶在不同速度和操纵条件下的运动特性，包括船舶的加速度、速度、转向半径等。

5）可视化显示设计。设计船舶虚拟驾驶仿真系统的可视化显示界面，通过高清的图像和逼真的场景，将船舶模型、航行环境和操纵系统的状态实时显示给用户。

6）用户交互设计。设计用户与船舶虚拟驾驶仿真系统的交互方式。包括用户输入设备的选择（如键盘、鼠标、手柄等）、操作界面的设计和用户指令的解析。

船舶虚拟驾驶仿真平台包括虚拟驾驶台、船舶运动模型、现实仿真场景、系统数学建模、智能控制器和人机界面等，如图2所示。

2.2 船舶推进系统的动力学建模

动力学模型对于驾驶仿真系统的仿真交互性和精度有重要影响，本文建立的船舶动力学模型坐标系如图3所示。

根据图3坐标系，建立船舶运动方程为^[4]：

$ \left\{ \begin{aligned} & {m\dot U - m\dot Vr = {F_x} + {T_x}}，\\ & {m\dot V - m\dot Ur = {F_y} - {T_y}}，\\ & {{J_z}\dot r = {N_h} + {T_n}}，\\ & {m\ddot r = {F_z}}，\\ & {{J_z}\ddot \lambda = M} 。\end{aligned} \right. $

式中： $ \dot U $ 为x轴方向的船舶速度； $ \dot V $ 为y轴方向的船舶速度； $ {F_x} $ 为船舶在x轴的外力； $ {T_x} $ 为船舶在x方向的附加作用力； $ {F_y} $ 为船舶沿y方向的外力； $ {T_y} $ 为y方向的附加作用力； $ {T_n} $ 为z轴方向的船舶所受弯矩； $ M $ 为船舶的螺旋桨转矩。

建立船舶螺旋桨推力与转矩的力学模型如下：

$ \left\{ \begin{aligned} & {{F_0} = {K_t}H{\rho _0}{n^2}{D^4}\eta } ，\\ & {H = \frac{{{v_0}\left( {1 - \gamma } \right)}}{{nD}}}，\\ & {M = {K_p}H{\rho _0}{n^2}{D^4}} 。\end{aligned} \right. $

式中：n为螺旋桨转速， $ \gamma $ 为伴流系数； $ {K_t} $ 为推力系数； $ H $ 为速度系数； $ {\rho _0} $ 为海水密度。

3 基于MultiGen Creator软件的船舶驾驶仿真平台 3.1 船舶驾驶仿真平台的关键技术

1）层次结构数据技术

MultiGen Creator软件使用层次结构数据技术来管理和组织模型、纹理、动画、光照等元素。在MultiGen Creator中，层次结构数据技术被用于构建和管理场景中的对象，每个对象都可以包含子对象，从而形成一个层次结构。这种层次结构可以用来表示物体的组织结构。层次结构数据技术还可以用于管理对象的属性和行为，每个对象可以具有自己的属性。此外，对象还可以具有动画行为，例如移动、旋转、缩放等，通过层次结构，可以将这些属性和行为应用于整个层次结构中的所有对象。

2）纹理映射技术

MultiGen Creator软件使用的纹理映射技术是基于UV映射的，UV映射是一种将二维纹理图像映射到三维模型表面的技术。在MultiGen Creator中，用户可以将纹理图像加载到软件中，并将其应用于模型的表面。然后，用户可以使用软件提供的工具调整和编辑纹理映射的参数，获得所需的效果^[5]。

在纹理映射过程中，MultiGen Creator使用UV坐标确定纹理图像在模型表面上的位置。UV坐标是一种二维坐标系统，与模型表面的顶点一一对应。通过调整UV坐标，用户可以控制纹理图像在模型表面上的位置、大小、旋转等属性。

图4为MultiGen Creator使用的UV纹理映射技术原理，可见光点 $ P\left( {x,y,z} \right) $ 在纹理空间的映射点为 $ G\left( {x,y,z} \right) $ 。

3.2 船舶驾驶仿真平台的场景渲染与建模

MultiGen Creator软件具有强大的渲染功能，可以将创建的三维场景以高质量的方式渲染出来，MultiGen Creator使用先进的渲染技术，包括光照模型、材质贴图、阴影和反射等效果，以呈现逼真的三维场景。它支持实时渲染和离线渲染，可以根据需要选择合适的渲染方式。

船舶驾驶仿真平台的三维场景渲染由数据库、Cull渲染部件、投影设备等构成，如图5所示。

在驾驶仿真平台的三维建模中，使用CREO等三维软件进行基本建模，同时利用MultiGen Creator软件进行模型的渲染优化，本文建模的船型参数如表1所示。

图6为基于CREO软件的船舶三维模型示意图。

需要注意的是，船舶三维模型还需要进行纹理、色彩及材质的处理，以提高模型的仿真度。

图7为船舶驾驶仿真系统的用户交互界面，可以发现用户界面非常友好，可以让学员通过交互式界面充分感受到真实的船舶驾驶环境。

4 结　语

本文针对船舶驾驶仿真平台的搭建进行研究，具体包括船舶三维建模、动力学建模、基于MultiGen Creator软件的虚拟驾驶场景渲染、模型的纹理映射等。开发的虚拟驾驶仿真平台对于船员模拟训练有一定应用价值。