VLCC船舶推进系统仿真及虚拟现实的实现

摘要

在当今航海教育领域，船舶轮机模拟器已成为轮机教育与培训的重要手段。传统的轮机模拟器训练系统多为半物理或二维软件界面。这种训练系统较为抽象，在应用中缺乏动态展示，难以看到机舱真实画面。虚拟现实技术为轮机模拟器的发展带来了机遇。本文将船舶推进系统数学模型仿真与虚拟现实技术相结合，二维仿真界面与三维虚拟场景相结合，实现了一个高品质的立体虚拟机舱系统。研究内容如下:
　　建立了船舶推进系统仿真模型，包括柴油机本体模型、螺旋桨模型、船-机-桨配合模型等。其中柴油机模型结合了热力学原理和柴油机建模方面比较流行的容积法原理创建，柴油机容积法模型仿真速度较快、精度较高，依据模块化思想在MATLAB/SIMULINK中对柴油机气缸工作过程、进排气系统、中冷器、涡轮增压器、调速机构、输出扭矩进行模型建立。并根据螺旋桨推进特性曲线建立螺旋桨推力模型和船-机-桨配合模型。
　　采用3ds Max软件建立推进系统三维模型，包括柴油机、轴系、船体、推进器、虚拟环境等。以Unity3D虚拟现实开发引擎为平台，设计整个虚拟机舱系统的架构，并在该引擎中实现虚拟机舱二维仿真界面、虚拟机舱三维场景、数据仿真模型。机舱二维仿真界面集成船舶系统的结构与操作，虚拟机舱三维场景再现实船画面，数据仿真模型实现了虚拟机舱中的逻辑控制以及数学模型仿真。为方便学员认识操作，在引擎中实现自动寻径功能。
　　实现本课题中虚拟机舱推进系统与大连海事大学轮机模拟器硬件平台的通讯交互，使之既可以作为独立系统进行仿真模拟训练，又可以作为DMS-2011型全任务训练系统的补充进行联合运行。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 课题研究的意义

1．3 课题研究的现状

1．3．1 船舶推进系统建模

1．3．2 虚拟机舱技术

1．4 课题的研究目标和内容

第2章 船舶推进装置系统概述

2．1 船舶推进装置概述

2．2 推进装置的基本组成

2．3 船舶主推进系统的原型

2．4 本章小结

第3章 船舶柴油机工作过程建模仿真

3．1 缸内工作过程模型

3．1．1 气缸工作过程基本微分方程

3．1．2 气缸工作容积

3．1．3 燃油燃烧放热规律

3．1．4 气缸周壁散热率

3．1．5 进、排气口流量

3．1．6 气缸内工作过程划分

3．2 进排气系统模型

3．2．1 排气系统

3．2．2 进气系统

3．3 中冷器模型

3．4 涡轮增压器模型

3．4．1 压气机

3．4．2 涡轮

3．4．3 涡轮增压器转子

3．5 调速机构模型

3．6 本章小结

第4章 船舶推进系统模型与仿真验证

4．1 船舶推进系统模型

4．1．1 柴油机输出扭矩模型

4．1．2 多缸模型

4．1．3 螺旋桨的推力模型

4．1．4 船-机-桨数学模型

4．2 SIMULINK仿真

4．3 仿真结果验证

4．4 本章小结

第5章 虚拟机舱的实现

5．1 虚拟机舱系统架构设计

5．2 虚拟机舱二维仿真界面的开发

5．2．1 NGUI控件的制作

5．2．2 二维仿真界面的制作

5．3 虚拟机舱三维场景的实现

5．3．1 三维模型的制作与导入

5．3．2 场景漫游的实现

5．3．3 交互实体的三维拾取

5．3．4 交互实体行为建模

5．4 虚拟机舱数据仿真

5．5 虚拟机舱自动寻径功能

5．6 虚拟机舱与轮机模拟器硬件平台通讯的实现

5．6．1 轮机模拟器硬件平台简介

5．6．2 UDP通讯过程的实现

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

研究生履历