基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统.pdf

第45卷第2 0 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.20Oct.,2023基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统朱铁樱1-2，骆爽12，潘光永1.2（1.金华市现代制造与材料高新技术研发中心，浙江东阳32 2 10 0；2.浙江广厦建设职业技术大学，浙江东阳32 2 10 0）摘要：为了节约成本，减少大量重复性的测试，本文设计一种基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统。该系统主要由5个模块组成，通过UDP协议实现各个模块间的数据传输，并在动态链接库DLL（D y n a mi c Li n kLibrary）和ActiveX控件的基础上实现了人机交互界面的生成。测试实验结果表明，该系统能够实现人机实时交互，偏航角和航行速度的最大误差均在可控范围内，能够为导航系统提供更加可靠的参考数据，保证了船舶的安全航行。关键词：人机交互；智能导航；仿真模拟系统；仿真误差中图分类号：U666文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 0-0 190-0 4Ship intelligent navigation simulation system based on human-computer interaction technology(1.Jinhua Modern Manufacturing and Material High-tech Research and development Center,Dongyang 322100,China;2.Zhejiang Guangsha Vocational and Technical University of Construction,Dongyang 322100,China)Abstract:In order to save cost and reduce a lot of repeatability test,this paper designs a simulation system of ship in-telligent navigation based on man-machine interaction technology,the data transmission between modules is realized byUDP protocol,and the man-machine interaction interface is built on the basis of Dynamic Link Library(DLL)and ActiveXcontrol.The test results show that the system can realize real-time human-computer interaction,and the maximum errors ofyaw angle and speed are within controllable range,which can provide more reliable reference data for navigation system,toensure the safe navigation of ships.Key words:human-computer interaction;intelligent navigation;simulation system;simulation error0引言航海过程中，安全问题最受关注，随着智能导航系统的发展，可为船舶的安全航行提供更好的保障。为了建立完善、可靠的导航系统，需要对导航方案、系统性能等各方面进行大量、重复性的测试并对系统进行相关优化。为了节省时间、减少成本，需要对导航系统进行模拟仿真。程章等设计了一种模块化的船舶惯性导航仿真系统，并进行了相关仿真研究。昌攀2 开发了基于多源导航信息的三维辅助导航仿真系统，实现了模拟仿真的基本功能。祝中磊等31设计了一种新型导航系统模拟仿真平台，可用于舰船信息算法的设计、分析等。收稿日期：2 0 2 3-0 3-11作者简介：朱铁樱（198 1-），女，硕士，副教授，研究方向为计算机应用及Web开发。文献标识码：AZHU Tie-ying2,LUO Shuangl2,PAN Guang-yongl?1人机交互技术人机交互（Human-ComputerInteraction，H CI）是指关于设计、实现供人们使用的交互式计算机系统以及相关研究的科学技术。人机交互是计算机科学和认知心理学相结合的技术，同时还涉及到生物学、人机工程学、设计艺术学等。人机交互系统是一个具有特定功能的整体，如图1所示。整个系统由人、机、环境3个部分组成，是一个闭环人机系统。显示器用来显示整个人机交互过程doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.20.036本文基于人机交互技术，设计一种智能导航仿真模拟系统，该系统可以对航行过程中的状况进行仿真分析，本文对系统性能进行研究。第45卷中的操作过程情况，操作者首先通过视觉、听觉等获取显示器上的各种信息变化，经过分析和解释作出相应的人工决策，再通过控制方式实现人机交互过程的调整。信息接收机显示器环境图1人机交互系统Fig.1 Human-computer interaction system以上人和机器之间的信息交流都发生在人机界面上，其功能主要包括显示和控制，因此人机界面的合理性设计直接关系到人机交互的效果。随着人工智能、计算机视觉、虚拟现实等技术的发展和成熟应用，人机界面在自然化、人性化、高科技化等方面都得到了很好的发展。2基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统2.1系统组成本文基于人机交互技术，建立船舶智能导航仿真模拟系统，系统组成如图2 所示。根据电子海图显示与信息系统（ElectronicChartDisplayandInformation System，ECD I S），建立航线数据库，航线表包括航路点经度、纬度，航线序号等。在仿真模航线规划航线数据库选线模拟航行船舶模型航向航速等信息图2 基于人机交互技术的智能导航仿真模拟系统Fig.2 Intelligent navigation simulation system based onhuman-computer interaction technology朱铁樱，等：基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统环境控制人机界面机器本体航线表191拟时，可以随机选择其中一条航线，自动读取相关航路信息。在仿真模拟时，要调取船舶模型数据、航向航速、海况信息等多类数据，以便得到最全面、可靠的模拟仿真效果。人机交互界面中，除了基础的时间、日期等数据外，要实时显示航线序号、航速航向、导航信息、海况信息等。同时，还可以根据仿真模拟的需要，实现对航线、航速等数据的在线修改。船舶航行的航迹信息能够实现实时保存，可用于仿真模拟时的数据对比及分析。控制器人机交互界面导航数据计算船舶位置航迹航线操作其他数据设置2.2总体设计方案2.2.1硬件模块根据系统组成，整个仿真模拟系统需要实现导航信息显示、船舶状态设置、通信等多种功能，同时还需要有实时的人机交互界面，整体可以分为以下几个模块：1）人机交互模块。人机交互界面需要具有良好的实时性、可操作性，要符合人性化、自然化的特点。操作者在仿真模拟过程中对参数的设定、修改主要在人机交互界面上完成。在人机交互界面上，要实时显示船舶的运动状态、导航信息、海况信息等。2）船舶运动轨迹仿真模块。根据利用对象化的设计思想，船舶运动轨迹仿真模块还可以再细分为多个模块，这些模块之间并没有直接联系，只是通过各个函数接口实现通信。操作者在输入目标航向、速度等初始参数后5，选取细分之后的各个模块进行组合，产生运动轨迹。3）仿真验证模块。主要是对仿真模拟系统的输出数据进行验证，并生成相关的导航信息，再反馈至仿真模块，得到数据间的误差。信息显示模块主要显示仿真模拟中各方面的数据。4）通信模块。需要实现仿真模拟系统中所有数据的传输、共享，由于船舶仿真模拟系统需要实时传输大量的数据，选用UDP（U s e r D a t a Pr o t o c o l）协议，UDP是面向非连接的协议，不需要与对方建立连接，利用时钟函数实现各个模块间的数据传输，具有较好的传输速度和传输效率0 。2.2.2软件基础根据系统总体功能，利用OpenGL、M FC、A c t i v e X控件等技术，设计出功能齐全的船舶智能导航仿真模拟系统。仿真模拟系统的软件基础是动态链接库DLL（D y n a m i c Li n k Li b r a r y）和ActiveX控件的应用。DLL192有助于实现数据共享和传输，提高内存的使用效率。ActiveX控件主要用来完成某一个或某一组任务，并实现时间日期显示、数据通信等功能。2.3运动模型建立2.3.1船舶运动方程本文建立的运动方程的坐标系如图3所示，XoYoZoOo为固定坐标系，XYZO为船舶运动坐标系，O为船舶的重心。ZYo图3船舶运动坐标系Fig.3Coordinate system of ship motion图中，U、V、w 分别表示船舶的横向速度、纵轴速度、垂荡速度；P、q、r 分别表示船舶的首横摇角速度、纵横摇角速度、摇角速度；出表示航向角；8 表示舵角。基于牛顿第二定律和动量守恒定理，采用分离式模式，建立船舶运动数学模型：(u-vr+wq-xo(g?+r2)+yo(pq-i)+)X=m(v-wp+ur-yo(r2+p2)+zo(qr-p)+)Y=m(w-uq+vp-zo(p?+q)+x0(rp-)+)Z=mK=Ixp+(la-ly)qr+myo(w+vp-ug)-mzo(iv-wp+ur),M=lyg+(lxx-lz)rp+mzo(iu+wq-vr)-mxo(w-uq+vp),N=lai+(ly-Ix)pq+mxo(+ur-wp)-myo(u-vr+wq)。式中：X、Y、Z分别为船舶所受外力（包括水动力、空气动力等）的总和；K、M、N均为外部动量总和；Ixx、l y y、Iz z 均为船舶的惯性张量。同时，还可以根据固定坐标系和船舶运动坐标系之间的关系，以及2 个坐标系中速度分量推导出船舶运动的轨迹方程：舰船科学技术(xo=ucost-vcososing,yo=usin+vcospcos,山=rcosd,(o=p。式中，为船舶横倾角。2.3.2船舶所受力和力矩船舶所受力和力矩包括船体力和力矩、舵力和力矩、螺旋桨力和力矩，使用的经验表达式为：XXH=-R+pLdU2XH,W2YH=2pLdU2YH,uNH=pL2dUNH,Xo(KH=M(a)-WGMo-(YH-mxur)ZYHo根据式（3）可以计算船体所受的流体力和力矩。其中，R为流体阻力；U为船舶速度；p为水密度；W、G M 分别为船舶的排水量和船舶重心高度。船舶受到的舵力和力矩的经验表达式为：XR=(1-tR)FNsind,YR=(1-QH)FNCOSS,NR=(XR+QHXR)FNCOSO,(KR=-YRZRo式中，Fn为舵的法向力。船舶受到的螺旋桨推力和扭矩的表达式为：zo(pr+Q)(Xp=(1-t)pnpDpKr(Jp),(Qp=(1-t)pnpDpKo(Jp)。xo(qp+i)式中：t为推力减额；np为螺旋桨转速；Dp为螺旋桨yo(rq+p)直径；KT、K o、Jp 分别为推力系数、转矩系数和进速系数。2.3.3海浪方向谱船舶的运动不仅要考虑上述的船体力、舵力和螺旋桨力的作用外，还要考虑海上的外界因素，如浪、流等影响。为了更好地进行仿真模拟，得到更可靠的(1)数据，需要对海浪进行研究。海浪可以看成一种不规则波，目前，应用相对比较广泛的Pierson-Moskowitz（P-M）谱，表达式如下：0.78S(w):exp为了更加真实地研究海浪对船舶运动的影响，引人海浪方向谱，结合P-M谱，得出船舶的响应谱：第45卷(2)(3)(4)(5)0.15216(6)W4第45卷0.496 6Sr(w)=cosuexpW2式中：为主波向和所求方向谱方向之间的夹角；H(w)为传递函数。2.4实验结果根据工作原理及系统构成，构建基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统，图4为人机交互界面显示的部分信息。基本信息日期2023年4月2 0 日周四时间下午0 3:0 7:18经度11822.161E纬度3114.351N航向45横摇角0.01图4人机交互界面显示的部分信息Fig.4 Part of the information displayed in theman-machine interface可以看出，该系统能够较好地实现仿真模拟过程中的信息交互。在此界面上，操作者可以完成对仿真模拟参数的设置和修改。在整体功能实现的情况下，进行船舶航行过程中的仿真模拟实验，图5为模拟过程中的偏航角和航行速度误差。可以看出，在模拟过程中，随着航行距离的不断增大，偏航角和航行速度的误差均在可控范围内。3结语本文基于人机交互技术，构建了船舶智能导航仿真模拟系统，并对系统性能进行测试实验。从实验结果看出，该系统能够实现人机实时交互，仿真模拟的误差均在误差范围内，能够为导航系统提供更加可靠的参考数据，保证船舶的安全航行。参考文献：1】程章，许江宁，郭士萃.船用捷联式惯性导航仿真系统设计1科学技术与工程,2 0 17,17(2 5):317-32 2.朱铁樱，等：基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统0.151 216IH(w)2。(7)W4导航信息纵摇角0.01垂荡距离0.05m:1935.04.54.03.53.02.52.01.51.00.502040 6080100120140160180200航行距离/nm(a)航行距离-偏航角0.500.450.401-S./率0.350.300.250.200.150.100.05020406080100120140160180200航行距离/nm海况0流向0(b)航行距离-航行速度图5导航误差结果Fig.5Results of navigation errorCHENG Zhang,XU Jiang-ning,GUO Shi-luo.Design of strap-down inertial navigation simulation system in shipJ.ScienceTechnology and Engineering,2017,17(25):317-322.2昌攀：基于多源导航信息的三维辅助导航仿真系统1.广西科学院学报,2 0 17,33(1):59-6 4.CHANG Pan.Three dimensional aided navigation simulationsystem based on multi-source navigation informationJ.Jour-nal of Guangxi Academy of Sciences,2017,33(1):59-64.3祝中磊，鸿巍，马恒，等.综合导航系统信息融合模拟仿真平台设计1.导航定位与授时,2 0 2 2,9(1):152-158.ZHU Zhong-lei,BIAN Hong-wei,MA Heng,et al.Design ofsimulation platform for information fusion of integrated naviga-tion systemJ.Navigation Positiong&Timing,2022,9(1):152-158.4于东伟.多功能海洋运载器航行轨迹仿真模拟系统的设计与实现D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2 0 17.5王晓飞.舰载机惯性/组合导航系统数字仿真器设计D.南昌：南昌航空大学，2 0 15.6吴迪.基于 UDP 通信协议的 PC 与 PLC 数据传输.燃料与化工,2 0 2 1,52(5):34-35.WU Di.Data transmission between PC and PLC based on UDPcommunication protocolJ.Fuel&Chemical Processes,2021,52(5):34-35.