基于人机交互技术的船舶智能导航仿真模拟系统

朱铁樱，骆 爽，潘光永

（1.金华市现代制造与材料高新技术研发中心，浙江 东阳 322100；2.浙江广厦建设职业技术大学，浙江 东阳 322100）

0 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[1]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[3]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。

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。

1 人机交互技术

人机交互（Human-Computer Interaction，HCI）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。

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。

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 on human-computer interaction technology

根据电子海图显示与信息系统（Electronic Chart Display and Information System，ECDIS），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。

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[4]：

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（User Data Protocol）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[6]。

2.2.2 软件基础

根据系统总体功能，利用OpenGL、MFC、ActiveX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（Dynamic Link Library）和ActiveX 控件的应用。DLL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，X0Y0Z0O0为固定坐标系，XYZO为船舶运动坐标系，O为船舶的重心。

图3 船舶运动坐标系Fig.3 Coordinate 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；ψ表示航向角；δ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：

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、Iyy、Izz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：

式中，ϕ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、舵力和舵力矩、螺旋桨力和力矩，使用的经验表达式为：

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；ρ为水密度；W、GM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：

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：

式中：t为推力减额；nP为螺旋桨转速；DP为螺旋桨直径；KT、KQ、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：

为了更加真实地研究海浪对船舶运动的影响，引入海浪方向谱，结合P-M 谱，得出船舶的响应谱：

式中：µ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。

图4 人机交互界面显示的部分信息Fig.4 Part of the information displayed in the man-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。

图5 导航误差结果Fig.5 Results of navigation error

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。