CN119007534A - 一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台，涉及船舶仿真技术领域，该平台包括物理实体部分的球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台，结合仿真主机提供的数字化场景，形成了一个高真交互的数字化空间，在使用该船舶操纵运动仿真平台进行船舶操纵运动仿真时，模拟驾驶台可以传递仿真参与人员对船舶的作用，六自由度运动平台能够再现仿真参与人员所处位置处的摇荡运动，从而提供真实的船身运动体感反馈以传递船舶对人的作用，球形环幕实时体现船舶与海洋航行环境之间的相互作用，可以真实再现人‑船舶‑海洋环境三者之间的交互反馈作用，从而提高船舶实海域航行仿真的真实性、准确性和沉浸感。

Description

一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台

技术领域

本申请涉及船舶仿真技术领域，尤其是一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台。

背景技术

船舶操纵运动仿真技术是各类航海模拟器的基础技术，一般利用船舶操纵运动仿真平台实现，船舶操纵运动仿真平台主要包括仿真主机、模拟驾驶台和显示屏。仿真参与人员可以利用模拟驾驶台向仿真主机发送到船舶操纵指令，模拟驾驶台提供了物理真实感。仿真主机渲染生成包括海浪环境和船舶模型的视景呈现画面并通过显示屏展示，从而提供环境真实感，且在船舶操纵运动仿真过程中，还利用船舶运动数学模型结合船舶操纵指令更新视景呈现画面中的船舶模型的运动状态，从而提供行为真实感。船舶操纵运动仿真技术通过行为、环境以及物理这三个层面上的真实感，给仿真参与人员一种身临其境驾驶船舶的错觉，可进行沉浸式的船舶操纵运动仿真，广泛用于船员培训和驾控技能的提升。

目前在船舶操纵运动仿真过程中，会通过视景呈现画面的变化来间接体现船舶的运动状态变化，这种做法只能以视觉方式使仿真参与人员体会船舶的摇荡，且实航过程中当船舶发生摇荡时也会对船舶驾驶人员的操纵行为产生影响，这些都导致目前的船舶操纵运动仿真与实航场景仍然存在差异，仿真的准确性和沉浸感不足。

发明内容

本申请针对上述问题及技术需求，提出了一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台，本申请的技术方案如下：

一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台，该船舶操纵运动仿真平台包括仿真主机、球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台；六自由度运动平台固定在球形屏幕合围形成的球形舱内，模拟驾驶台布设在六自由度运动平台上并与六自由度运动平台刚性固定连接；仿真主机电性连接球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台，仿真主机执行的方法包括：

对目标船舶进行三维建模生成目标船舶实体模型，生成目标船舶所在目标海域的目标海域模型，构建得到目标船舶实体模型与目标海域模型叠加的船舶航行仿真场景；

接收模拟驾驶台响应于仿真参与人员的模拟驾驶操作而生成的实时操纵指令，基于船舶六自由度操纵运动数学模型结合实时操纵指令解算得到船舶重心处的运动状态数据；

根据船舶重心处的运动状态数据更新船舶航行仿真场景中的目标船舶实体模型的位姿，在目标船舶实体模型中的船舶驾控台处布置朝向不同周向方向的多个虚拟相机，将各个虚拟相机从船舶航行仿真场景中捕捉到的三维视景画面输出显示于球形屏幕上；以及，根据目标船舶上的船舶驾控台与船舶重心的位置关系，对船舶重心处的运动状态数据转换得到船舶驾控台处的运动状态数据，并根据船舶驾控台处的运动状态数据控制六自由度运动平台带动模拟驾驶台运动。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台，该船舶操纵运动仿真平台由物理实体部分的球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台，结合仿真主机提供的数字化场景形成一个高真交互的数字化空间，在使用该船舶操纵运动仿真平台进行船舶操纵运动仿真时，模拟驾驶台可以传递仿真参与人员对船舶的作用，六自由度运动平台能够再现仿真参与人员所处位置处的摇荡运动，从而提供真实的船身运动体感反馈以传递船舶对人的作用，球形环幕实时体现船舶与海洋航行环境之间的相互作用，可以真实再现人-船舶-海洋环境三者之间的交互反馈作用，从而提高船舶实海域航行仿真的真实性、准确性和沉浸感。

通过跟踪仿真参与人员的实时眼点位置的变化，对球形屏幕的三维视景呈现画面进行动态更新，实现三维视景呈现画面与人员观察位置间的统一，可以准确呈现航行环境视景画面的实时变化。

仿真主机利用目标海域适用的目标波浪谱构建实海域力学环境，通过叠加船行波、白浪、海水飞溅等视海水表层动态特效，再现船舶实海域航行海洋视觉特征，并结合目标船舶与障碍物的实体模型，共同构成用于船舶航行仿真的实海域视觉环境，实现了实海域力学与视觉环境的数字化高真构建。

附图说明

图1是本申请一个实施例中的球形屏幕1、六自由度运动平台2和模拟驾驶台3的结构示意图。

图2是本申请一个实施例中仿真主机执行的方法流程图。

图3是基于球形屏幕合围形成的球形舱的内接正方体确定虚拟相机的视场范围的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台，该船舶操纵运动仿真平台包括仿真主机、球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台，仿真主机电性连接球形屏幕1、六自由度运动平台2和模拟驾驶台3。请参考图1，球形屏幕1的内壁由显示灯板拼接而成，且球形屏幕1合围形成球形舱，球形舱的尺寸可以根据实际情况限定，一般球形舱的半径在2.4m及以上，以方便人站立操作。六自由度运动平台2和模拟驾驶台3均布设在球形舱内：六自由度运动平台2固定在球形舱内，模拟驾驶台3布设在六自由度运动平台2上并与六自由度运动平台2刚性固定连接。模拟驾驶台3按照目标船舶上实际的船舶驾控台来设计，一般包括车钟、舵轮等控制机构。仿真参与人员4在模拟驾驶台3处进行船舶操纵运动仿真，球形屏幕1用于实时呈现船舶操纵运动仿真过程中的三维视景画面变化，球形屏幕1提供的包围感可以给仿真参与人员带来较高的视觉沉浸度。

仿真主机可以采用计算机、服务器或者这些设备构成的集群实现，用于执行船舶操纵运动仿真过程中的各种控制和运算操作，仿真主机执行的方法包括如下步骤，请参考图2所示的流程图：

步骤1，对目标船舶进行三维建模生成目标船舶实体模型，以及生成目标船舶所在目标海域的目标海域模型，从而构建得到目标船舶实体模型与目标海域模型叠加的船舶航行仿真场景。

利用通用建模软件按照目标船舶的船型参数进行高精度三维建模得到目标船舶实体模型，包括对目标船舶的主船体、上层建筑、甲板机械等组成部分进行建模，并对照目标船舶就船舶不同部位、不同设备上的图标、颜色、材质等外观特征进行绘制与渲染，使三维造型效果与目标船舶的实船接近，建立得到目标船舶实体模型。使用的通用建模软件比如3D max、Belender等。

同样的，利用通用建模软件按照目标船舶所在目标海域的参数进行高精度三维建模得到目标海域模型，包括两部分内容：

(1)利用目标海域匹配的目标波浪谱生成目标海洋场景。

目前船舶仿真领域都会使用到已有的浪谱模型数据库，波浪谱模型数据库中包括多种不同海域及其匹配的波浪谱模型，比如北大西洋P-M谱、北海JONSWAP谱等。传统仿真过程中一般直接使用这些通用的理论波浪谱作为目标海域的波浪谱模型，但实际上，单一的理论波浪谱并不能用于描述所有海域的海浪特征，因此为了更准确的表征目标海域的实海域环境：

当波浪谱模型数据库中存在与目标海域的波浪特征匹配的波浪谱模型时，直接利用波浪谱模型数据库中与目标海域的波浪特征匹配的波浪谱模型作为目标波浪谱。

当波浪谱模型数据库中不存在与目标海域的波浪特征匹配的波浪谱模型时，基于针对目标海域的波浪演化过程得到的实海域观测数据进行特征解析提取主要成分波，得到目标海域的目标波浪谱包括提取得到的主要成分波。由于主要成分波是基于目标海域的丰富的实海域观测数据提取得到的，因此可以较好的描述目标海域的海浪行为和波浪特征，更贴合目标海域的实海域环境。

不管通过哪种方法得到目标海域的目标波浪谱，在确定目标波浪谱后，首先利用视景开发平台基于目标海域匹配的目标波浪谱动态生成海洋波面，使用的视景开发平台比如Unity、UE等，基于目标波浪谱的数学描述编写相应的脚本，即可生成动态的海洋波面，实现实海域波面变化的动态呈现。然后在生成的海洋波面上叠加船波相互作用特征以及海水表层动态特效得到目标海洋场景。船波相互作用特征包括艏、艉兴波，高海况下的浪尖翻卷、破碎，以及发生艏底部砰击、甲板上浪时的海水飞溅等特征。海水表层动态特效包括船行波、白浪、海水飞溅等动态特效。这些船波相互作用特征和海水表层动态特效的具体生成叠加方式可以参考现有做法，此处不再详细赘述。

(2)对目标海域中的障碍物进行三维建模生成障碍物实体模型。目标海域中的障碍物包括海岛、礁石、浅滩、暗礁、堤岸等影响目标船舶通航的物体，按照各个障碍物的外形进行高精度三维建模，并对各障碍物进行图标、颜色、材质等外观特征的绘制与渲染，使各障碍物在几何外形与视觉外观上与实际障碍物接近，建立得到障碍物实体模型。

然后将建模得到的目标船舶实体模型和障碍物实体模型加载入目标海洋场景中，即可构建得到船舶航行仿真场景。

步骤2，船舶操纵运动仿真过程中，仿真参与人员在模拟驾驶台3处触发对目标船舶的模拟驾驶操作，模拟驾驶台3会响应于仿真参与人员的模拟驾驶操作而生成实时操纵指令发送给仿真主机。

仿真主机接收模拟驾驶台发送的实时操纵指令后，基于船舶六自由度操纵运动数学模型结合实时操纵指令解算得到船舶重心处的运动状态数据。实际在解算得到船舶重心处的运动状态数据时，除了要使用实时操纵指令之外，还需要使用到目标船舶遭遇的波浪参数，以及目标船舶的船型数据、桨性能参数和舵性能参数等，这部分使用到的船舶六自由度操纵运动数学模型以及具体的解算方法的做法可以参考现有技术中的做法，本申请对此不做赘述。

在该步骤中，解算得到的船舶重心处的运动状态数据包括：船舶重心处的平动速度矢量V_g、船舶重心处的平动加速度矢量船舶重心处的转动角速度矢量ω_g、船舶重心处的转动角加速度矢量其中，船舶重心处的平动速度矢量V_g包括船舶重心处的纵荡速度、横荡速度和垂荡速度，船舶重心处的平动加速度矢量包括船舶重心处的纵荡加速度、横荡加速度和垂荡加速度，船舶重心处的转动角速度矢量ω_g包括船舶重心处的横摇角速度、纵摇角速度、艏摇角速度，船舶重心处的转动角加速度矢量包括船舶重心处的横摇角加速度、纵摇角加速度、艏摇角加速度。

步骤3，根据船舶重心处的运动状态数据更新船舶航行仿真场景中的目标船舶实体模型的位姿，在目标船舶实体模型中的船舶驾控台处布置朝向不同周向方向的多个虚拟相机，将各个虚拟相机从船舶航行仿真场景中捕捉到的三维视景画面输出显示于球形屏幕上。

由于在目标船舶的真实航行过程中，驾船人员在目标船舶的船舶驾控台处进行航行操纵，其视觉感受到的也是船舶驾控台处的外界环境变化，因此为了让仿真参与人员高真实度地还原感受到驾船人员在目标船舶的真实航行过程中的视觉感受，在船舶操纵运动仿真过程中，在目标船舶实体模型中的船舶驾控台处布置虚拟相机，用于从船舶航行仿真场景中捕捉船舶驾控台处的三维视景画面并显示于球形屏幕上，从而给仿真参与人员提供身临其境驾驶目标船舶的视觉体验。

传统的船舶操纵运动仿真平台大多使用平面型屏幕，由于本申请使用了球形屏幕，因此船舶驾控台处需要布置多个虚拟相机且各个虚拟相机朝向不同周向方向，从而可以捕捉船舶航行仿真场景中不同方位的三维视景画面以输出呈现在球形屏幕的不同区域。

船舶驾控台是一个较大的区域范围，在船舶驾控台处布置多个虚拟相机时，一种做法是在船舶驾控台的默认位置处布置多个朝向不同周向方向的虚拟相机，该默认位置比如是船舶驾控台的中心位置或其他自定义位置，这种做法会始终在球形屏幕上展示默认位置处的三维视景画面。但是在仿真过程中，仿真参与人员在进行船舶操纵运动仿真时会在模拟驾驶台上进行走动，按照现实世界的实际情况，当驾船人员移动到不同位置时看到的画面应该是不同的，因此当仿真参与人员移动到不同位置时，球形屏幕如果始终展示默认位置处的三维视景画面，则显然与现实世界的实际情况不相符，会导致视景展示的准确性和沉浸感都较差。

考虑到这种情况，在一个实施例中，并不将虚拟相机固定布置在船舶驾控台的默认位置处，而是动态改变虚拟相机的布置位置，从而控制球形屏幕的三维视景画面的视场范围随着仿真参与人员的移动而动态变化。为了实现该功能，该船舶操纵运动仿真平台还包括搭载在仿真参与人员4的眼部位置处的定位器5，仿真主机与定位器5建立通信连接。定位器5可以采用穿戴式设备的形式来实现，只要佩戴在仿真参与人员4的眼部附近即可，实际可以采用挂耳式、头戴式等形式来实现，具体的实现形式和佩戴位置不做限定。该定位器5会向仿真主机发送自身位置，定位器5的位置在误差范围内可以认为就是仿真参与人员4的实时眼点位置，则在仿真过程中，仿真主机会接收定位器反馈的实时眼点位置，然后根据实时眼点位置更新各个虚拟相机的布置位置，并利用布置位置更新后的各个虚拟相机从船舶航行仿真场景中捕捉与实时眼点位置匹配的三维视景画面，从而在球形屏幕上动态呈现实时眼点位置处的三维视景画面，当仿真参与人员4移动位置使得实时眼点位置发生变化时，球形屏幕上显示的三维视景画面也会动态发生变化，达到景随身动的视觉效果，提高视景呈现准确性和沉浸感。其做法是：

将各个虚拟相机均布置在实时眼点位置处且朝向不同周向方向，根据球形屏幕的尺寸参数以及实时眼点位置确定各个虚拟相机的视场范围，然后利用各个虚拟相机对船舶航行仿真场景中位于各自视场范围内的画面进行摄制，对各个虚拟相机摄制到的画面拼合得到与实时眼点位置匹配的三维视景画面。当实时眼点位置发生变化时，虚拟相机的布置位置会发生变化，各个虚拟相机的视场范围也会相应发生变化，各个虚拟相机摄制到的画面也不同，使得最终呈现的三维视景画面发生变化。

为了使得三维视景画面在球形屏幕上能够完美呈现，在一个实施例中，在船舶驾控台处布置6个虚拟相机，具体即为在实时眼点位置处布置6个虚拟相机，实时眼点位置始终位于球形屏幕合围形成的球形舱的内接正方体的内部，但具体位置会随着仿真参与人员的运动而发生变化。6个虚拟相机分别朝向内接正方体的6个表面，且每个虚拟相机的光轴分别与所朝向的内接正方体的表面垂直。球形舱的内接正方体ABCD-EFGH如图3所示，该内接正方体ABCD-EFGH的中心O同时也是球形舱的球体中心O，为了方便描述，以O点为原点建立正交坐标系O-XYZ，XY平面平行于水平面，Z轴沿着竖直方向，球形屏幕的尺寸参数至少包括球形屏幕的内球面半径R，相应即可确定内接正方体ABCD-EFGH的边长并可确定内接正方体的各个顶点在正交坐标系O-XYZ中的坐标分别为：

另外还可以确定实时眼点位置o′在正交坐标系O-XYZ中的坐标o′(X′，Y′，Z′)。则6个虚拟相机布置在实时眼点位置o′处，虚拟相机1的光轴垂直朝向平面CDHG，虚拟相机2的光轴垂直朝向平面ADHE，虚拟相机3的光轴垂直朝向平面ABFE，虚拟相机4的光轴垂直朝向BCGF，虚拟相机5的光轴垂直朝向平面EFGH，需要相机6的光轴垂直朝向平面ABCD，图3中未详细示出各个虚拟相机。

当实时眼点位置o′的位置发生变化时，6个虚拟相机在实时眼点位置o′处的布置方式是相同的，但随着实时眼点位置o′的位置变化，6个虚拟相机各自的视场范围会发生变化，因此需要确定各个虚拟相机的视场范围，每个虚拟相机的视场范围的确定方法是相同，以虚拟相机1为例，确定虚拟相机1的视场范围包括：

(1)确定虚拟相机1所朝向的内接正方体的表面CDHG的各个顶点的空间位置坐标，顶点C、D、H、G是表面CDHG上从虚拟相机的拍摄角度的右下角开始依次顺时针排列的各个顶点，如图3所示。

(2)确定虚拟相机1的水平视场角HFOV＝∠Ho′G＝θ₁+θ₂，∠Ho′G即为实时眼点位置o′分别与顶点H和顶点G之间的夹角，其中：

θ₁是虚拟相机的水平视场的左视场角，且表示实时眼点位置o′分别与顶点H以及垂足P之间的夹角，垂足P是实时眼点位置o′在边HG上的垂足，在实时眼点位置o′、顶点H和顶点G的坐标都已知的情况下，垂足P可以直接计算得到。左视场角|HP|是顶点H与实时眼点位置o′在边HG上的垂足P之间的欧式距离，|Ho′|是顶点H与实时眼点位置o′之间的欧氏距离。

θ₂是虚拟相机的水平视场的右视场角，且表示实时眼点位置o′分别与顶点G以及垂足P之间的夹角。右视场角|GP|是顶点G与实时眼点位置o′在边HG上的垂足P之间的欧式距离，|Go′|是顶点G与实时眼点位置o′之间的欧氏距离。

上述各个欧式距离利用内接正方体的各个顶点以及实时眼点位置o′在正交坐标系O-XYZ中的坐标即可计算得到。另外本领域技术人员可以理解的是，根据对称原则，实时眼点位置o′分别与顶点D和顶点C之间的夹角∠Do′C＝∠Ho′G，因此也可以利用实时眼点位置o′、顶点D和顶点C同理计算得到水平视场角，此处不再赘述。

(3)确定虚拟相机的垂直视场角VFOV＝∠Go′C＝θ₃+θ₄，∠Go′G即为实时眼点位置o′分别与顶点G和顶点C之间的夹角，其中：

θ₃是虚拟相机的垂直视场的上视场角，表示实时眼点位置o′分别与顶点G以及垂足Q之间的夹角，垂足Q是实时眼点位置o′在边GC上的垂足，在实时眼点位置o′、顶点G和顶点C的坐标都已知的情况下，垂足Q可以直接计算得到。上视场角|GQ|是顶点G与实时眼点位置o′在边GC上的垂足Q之间的欧式距离，|Go′|是顶点G与实时眼点位置o′之间的欧氏距离。

θ₄是虚拟相机的垂直视场的下视场角，表示实时眼点位置o′分别与顶点C以及实时眼点位置o′在边GC上的垂足Q之间的夹角。下视场角|CQ|是顶点C与实时眼点位置o′在边GC上的垂足Q之间的欧式距离，|Co′|是顶点C与实时眼点位置o′之间的欧氏距离。

同理，根据对称原则，也可以通过计算实时眼点位置o′分别与顶点D和顶点H之间的夹角∠Ho′D＝∠Go′C同理计算得到垂直视场角，此处不再赘述。

由此可以分别计算得到各个虚拟相机的水平视场角和垂直视场角，从而得到各个虚拟相机在当前实时眼点位置o′处的视场范围。

步骤4，根据目标船舶上的船舶驾控台与船舶重心的位置关系，对船舶重心处的运动状态数据转换得到船舶驾控台处的运动状态数据，并根据船舶驾控台处的运动状态数据控制六自由度运动平台带动模拟驾驶台运动，从而使得模拟驾驶台能够再现目标船舶的船舶驾控台处的摇荡运动，给模拟驾驶台上的仿真参与人员提供真实的船身运动体感反馈。需要说明的是，步骤3和步骤4没有特定的先后执行顺序，一般是并行执行的。

目标船舶在航行过程中受风、浪、流等外界环境因素干扰，船身将不可避免地将出现摇荡运动，为了在船舶操纵运动仿真过程中对船身摇荡运动进行高沉浸式呈现，采用六自由度运动平台2带动模拟驾驶台3运动，以对船舶驾控台处的摇荡运动进行物理再现。

但是船舶六自由度操纵运动数学模型针对船舶重心而建立，因此利用船舶六自由度操纵运动数学模型解算得到的是船舶重心处的运动状态数据，而在目标船舶的真实航行过程中，驾船人员在目标船舶的船舶驾控台处进行航行操纵，其体感所感受到的是在船舶驾控台处所能感受到的船舶驾控台处的运动变化，由于船舶驾控台与船舶重心在空间上并不重合，导致船舶驾控台处与船舶重心处的运动状态数据存在差异，因此为了让仿真参与人员高真实度地还原感受到驾船人员在目标船舶的真实航行过程中的体感感受，需要由船舶重心处的运动状态数据进一步转换得到船舶驾控台处的运动状态数据。对应于船舶重心处的运动状态数据的数据类型，船舶驾控台处的运动状态数据包括船舶驾控台处的平动速度矢量V_k、船舶驾控台处的平动加速度矢量船舶驾控台处的转动角速度矢量ω_k、船舶驾控台处的转动角加速度矢量且每一类的运动状态数据的数据内容与船舶重心处的运动状态数据的数据内容相同，此处不再赘述。

目标船舶可视为做一般运动的刚体，其各组成质点间的平动速度与加速度存在差异，而角速度与角加速度保持一致，根据刚体动力学理论可转换得到船舶驾控台处的运动状态数据包括：

得到船舶驾控台处的平动速度矢量V_k＝V_g+ω_g×ρ。

得到船舶驾控台处的平动加速度矢量

得到船舶驾控台处的转动角速度矢量ω_k＝ω_g。

得到船舶驾控台处的转动角加速度矢量

其中，V_g是解算得到的船舶重心处的平动速度矢量、是解算得到的船舶重心处的平动加速度矢量、ω_g是解算得到的船舶重心处的转动角速度矢量、是解算得到的船舶重心处的转动角加速度矢量。ρ是目标船舶的船舶重心至船舶驾控台的矢径，基于目标船舶的船型数据就能确定得到，在实际应用时，以目标船舶的船舶重心g为原点、指向艏部前方为x轴正方向、指向右舷为y轴正方向、指向船底为z轴正方向建立随船坐标系g-xyz，船舶重心g在随船坐标系g-xyz中的坐标为(0,0,0)，目标船舶的船舶驾控台在随船坐标系g-xyz中的坐标为(x_k，y_k，z_k)，则目标船舶的船舶重心至船舶驾控台的矢径ρ＝(x_k，y_k，z_k)。

由上述转换公式可以看出，船舶驾控台处的转动运动与船舶重心处相同，但船舶驾控台处的平动运动与船舶重心处差异较大。

另外，考虑到目标船舶在高海况场景下将产生大幅摇荡运动，导致船舶重心处的运动状态数据以及转换得到的船舶驾控台处的运动状态数据的幅值较大，比如转换得到的船舶驾控台处的横摇幅值可能达到35°，再比如转换得到的船舶驾控台处的垂荡幅值达到2m等，如果直接按照船舶驾控台处的运动状态数据控制六自由度运动平台带动模拟驾驶台运动，那么虽然可以真实再现船舶驾控台处的船身摇荡状态，但这种大幅运动会难以避免地给模拟驾驶台上的仿真参与人员带来安全风险，另一方面，六自由度运动平台本身也存在运动执行机构行程与执行速率方面的能力限制，六自由度运动平台的摇荡运动幅值及相应加速度可能达不到实际的船舶驾控台处的摇荡运动幅值与加速度水平。因此出于安全保障与平台技术性能限制方面的考量，在一个实施例中，按照预定缩减比例对船舶驾控台处的运动状态数据进行幅度缩减处理得到模拟摇荡运动响应，然后按照模拟摇荡运动响应控制六自由度运动平台带动模拟驾驶台运动。虽然这种做法中，模拟驾驶台的运动并不能达到实际船舶驾控台处的船身摇荡状态的同等数量级，但是模拟驾驶台在仿真航行过程中的运动变化趋势与实际船舶驾控台处的船身摇荡状态的变化趋势是一致的，仍然可以很好的传递船舶对人的作用，体现船舶与海洋航行环境之间的相互作用。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现人与船海高真交互的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，所述船舶操纵运动仿真平台包括仿真主机、球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台；所述六自由度运动平台固定在所述球形屏幕合围形成的球形舱内，所述模拟驾驶台布设在所述六自由度运动平台上并与所述六自由度运动平台刚性固定连接；所述仿真主机电性连接所述球形屏幕、六自由度运动平台和模拟驾驶台，所述仿真主机执行的方法包括：

对目标船舶进行三维建模生成目标船舶实体模型，生成所述目标船舶所在目标海域的目标海域模型，构建得到目标船舶实体模型与目标海域模型叠加的船舶航行仿真场景；

接收模拟驾驶台响应于仿真参与人员的模拟驾驶操作而生成的实时操纵指令，基于船舶六自由度操纵运动数学模型结合所述实时操纵指令解算得到船舶重心处的运动状态数据；

根据船舶重心处的运动状态数据更新所述船舶航行仿真场景中的目标船舶实体模型的位姿，在所述目标船舶实体模型中的船舶驾控台处布置朝向不同周向方向的多个虚拟相机，将各个虚拟相机从所述船舶航行仿真场景中捕捉到的三维视景画面输出显示于所述球形屏幕上；以及，根据所述目标船舶上的船舶驾控台与船舶重心的位置关系，对船舶重心处的运动状态数据转换得到船舶驾控台处的运动状态数据，并根据船舶驾控台处的运动状态数据控制所述六自由度运动平台带动所述模拟驾驶台运动。

2.根据权利要求1所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，解算得到的船舶重心处的运动状态数据包括船舶重心处的平动速度矢量V_g、船舶重心处的平动加速度矢量船舶重心处的转动角速度矢量ω_g、船舶重心处的转动角加速度矢量所述对船舶重心处的运动状态数据转换得到船舶驾控台处的运动状态数据包括：

得到船舶驾控台处的平动速度矢量V_k＝V_g+ω_g×ρ；

得到船舶驾控台处的平动加速度矢量

得到船舶驾控台处的转动角速度矢量ω_k＝ω_g；

得到船舶驾控台处的转动角加速度矢量

其中，ρ是所述目标船舶的船舶重心至船舶驾控台的矢径。

3.根据权利要求2所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，所述根据船舶驾控台处的运动状态数据控制所述六自由度运动平台带动所述模拟驾驶台运动包括：

按照预定缩减比例对船舶驾控台处的运动状态数据进行幅度缩减处理得到模拟摇荡运动响应，按照所述模拟摇荡运动响应控制所述六自由度运动平台带动所述模拟驾驶台运动。

4.根据权利要求1所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，所述船舶操纵运动仿真平台还包括搭载在仿真参与人员的眼部位置处的定位器，所述仿真主机与所述定位器建立通信连接，所述仿真主机执行的方法还包括：

接收所述定位器反馈的实时眼点位置，根据实时眼点位置更新各个虚拟相机的布置位置，并利用布置位置更新后的各个虚拟相机从所述船舶航行仿真场景中捕捉与所述实时眼点位置匹配的三维视景画面。

5.根据权利要求4所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，所述利用布置位置更新后的各个虚拟相机从所述船舶航行仿真场景中捕捉与所述实时眼点位置匹配的三维视景画面包括：

将各个虚拟相机均布置在所述实时眼点位置处且朝向不同周向方向，根据所述球形屏幕的尺寸参数以及所述实时眼点位置确定各个虚拟相机的视场范围，利用各个虚拟相机对所述船舶航行仿真场景中位于各自视场范围内的画面进行摄制，对各个虚拟相机摄制到的画面拼合得到与所述实时眼点位置匹配的三维视景画面。

6.根据权利要求5所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，在所述实时眼点位置处布置6个虚拟相机，所述实时眼点位置位于所述球形屏幕合围形成的球形舱的内接正方体的内部，6个虚拟相机分别朝向所述内接正方体的6个表面，且每个虚拟相机的光轴分别与所朝向的内接正方体的表面垂直。

7.根据权利要求6所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，确定每个虚拟相机的视场范围包括：

确定所述虚拟相机所朝向的内接正方体的表面CDHG的各个顶点的空间位置坐标，顶点C、D、H、G是表面CDHG上从所述虚拟相机的拍摄角度的右下角开始依次顺时针排列的各个顶点；

确定所述虚拟相机的水平视场角HFOV＝∠Ho′G＝θ₁+θ₂；其中，θ₁是所述虚拟相机的水平视场的左视场角且θ₂是所述虚拟相机的水平视场的右视场角且|HP|是顶点H与所述实时眼点位置o′在边HG上的垂足P之间的欧式距离，|Ho′|是顶点H与所述实时眼点位置o′之间的欧氏距离，|GP|是顶点G与所述实时眼点位置o′在边HG上的垂足P之间的欧式距离，|Go′|是顶点G与所述实时眼点位置o′之间的欧氏距离；

确定所述虚拟相机的垂直视场角VFOV＝∠Go′C＝θ₃+θ₄；其中，θ₃是所述虚拟相机的垂直视场的上视场角且θ₄是所述虚拟相机的垂直视场的下视场角且|GQ|是顶点G与所述实时眼点位置o′在边GC上的垂足Q之间的欧式距离，|CQ|是顶点C与所述实时眼点位置o′在边GC上的垂足Q之间的欧式距离，|Co′|是顶点C与所述实时眼点位置o′之间的欧氏距离。

8.根据权利要求1所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，构建得到船舶航行仿真场景包括：

利用所述目标海域匹配的目标波浪谱生成目标海洋场景，并对所述目标海域中的障碍物进行三维建模生成障碍物实体模型，将所述目标船舶实体模型和所述障碍物实体模型加载入目标海洋场景中，构建得到所述船舶航行仿真场景。

9.根据权利要求8所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，所述利用所述目标海域匹配的目标波浪谱生成目标海洋场景包括：

利用视景开发平台基于所述目标海域匹配的目标波浪谱动态生成海洋波面，在所述海洋波面上叠加船波相互作用特征以及海水表层动态特效得到所述目标海洋场景。

10.根据权利要求8所述的船舶操纵运动仿真平台，其特征在于，确定所述目标海域匹配的目标波浪谱包括：

当波浪谱模型数据库中存在与所述目标海域的波浪特征匹配的波浪谱模型时，利用波浪谱模型数据库中与所述目标海域的波浪特征匹配的波浪谱模型得到所述目标波浪谱；

当波浪谱模型数据库中不存在与所述目标海域的波浪特征匹配的波浪谱模型时，基于针对所述目标海域的波浪演化过程得到的实海域观测数据进行特征解析提取主要成分波，得到所述目标海域的目标波浪谱。