基于粒子系统的舰船航迹仿真

提出一种基于开尔文波理论和粒子系统技术的船行波模拟方法,采用开尔文波理论构建二维船行波模型,使用粒子系统技术对船行波的三维模型进行动态建模,从实际观察出发,根据艏浪、艉浪的形状特征、作用范围和浪花的随机运动特性,给出艏浪、艉浪的粒子系统建模方法。实验证明该方法能快速逼真地模拟舰船航行时的航迹。     

基于粒子系统的舰船航迹仿真

提出一种基于开尔文波理论和粒子系统技术的船行波模拟方法,采用开尔文波理论构建二维船行波模型,使用粒子系统技术对船行波的三维模型进行动态建模,从实际观察出发,根据艏浪、艉浪的形状特征、作用范围和浪花的随机运动特性,给出艏浪、艉浪的粒子系统建模方法.实验证明该方法能快速逼真地模拟舰船航行时的航迹.     

基于GPU和粒子系统的三维火焰模拟

基于粒子系统的火焰模拟是可视化仿真中的一个重要环节。目前,一些火焰模拟方法中的不足之处在于粒子计算时间长、渲染效果不真实等。基于粒子系统提出了一种三维火焰模拟算法,并利用GPU加以实现。其基本思想是运用物理动力学原理分析现实生活中的火焰运动,构建出火焰粒子系统模型并实现火焰的三维效果。实验表明,用该方法模拟火焰效果比较真实、速度快,在PC上可以得到令人满意的效果。     

基于粒子系统的战场环境特效仿真中云的模拟

基于粒子系统的特殊效果仿真是虚拟战场可视化仿真中的一个重要环节。本文以战场环境仿真为目的,阐述了粒子系统的原理,对自然环境中的云的物理特征进行了描述与分析,提出了基于粒子系统原理云模拟过程中的简化思路与模型,对云的动态方程进行改进分析,最终在Vega中根据简化模型实现了云的三维特殊效果仿真,并成功将其方法运用于某战场环境仿真系统中,最后给出了独立云团的效果图以及使用本文所研究的方法所得到的某战场环境仿真效果图。     

玉米叶片物理建模与参数确定的运动学分析方法

基于物理的方法是解决植物动态建模与仿真的有效途径,而模型参数的确定是基于物理方法所面临的重要问题.为实现基于生物物理属性特征的玉米叶片高精度、高真实感动态建模与仿真,提出一种基于运动学分析的玉米叶片物理建模与参数确定方法.首先利用运动捕捉技术获取玉米叶片的运动数据;然后根据运动捕捉特征点构建基于质点-弹簧系统的物理模型;最后基于运动学分析建立物理模型参数解析方程组,利用最小二乘法计算物理模型的参数.以此参数构建物理模型实现玉米叶片的动态模拟,并给出2种模型构造方式的玉米叶片虚拟仿真.结果表明,该方法以一种数据驱动的机制有效估算出对应的物理模型参数,生成的玉米叶片动态虚拟仿真过程具有与实际情况较为接近的真实感效果,为虚拟植物建模与应用提供了一种可行的物理建模及参数确定方法.     

基于OpenGL与粒子系统实现三维喷泉模拟

喷泉、瀑布、火焰、水流、雨、雪等自然景物具有不规则性、动态性和随机性,模拟十分复杂。模拟自然景物的方法有两种:基于物理建模技术的方法与基于粒子系统建模的方法。运用粒子系统建模方法分析了喷泉水体模型,研究了喷泉水珠粒子产生、运动和消亡的机理,构建出三维喷泉粒子系统模型。采用了三维立体显示技术和纹理映射技术增强喷泉绘制过程中的渲染和真实感。基于OpenGL,采用Visual C++6.0编程实现了三维喷泉模拟。实验结果表明,该方法模拟效果真实,在普通的PC平台上即可满足一般动画的实时需求。     

基于粒子系统的雪景模拟算法研究与实现

文章在分析粒子系统建模方法的基础上,给出了一种雪粒子模型,该模型对雪的物理模型进行了适当简化：通过控制雪粒子的大小、形状、密度（数量）来实现雪强度的模拟;通过控制雪粒子的运动来模拟风对雪的影响,并对雪粒子的产生域进行了讨论,使其满足视点运动的要求。实践表明,该粒子系统模型可在复杂的三维场景中实时地模拟降雪现象,仿真效果逼真。     

动态浓烟建模与实时绘制技术研究

基于气体动力学和粒子系统理论,本文给出了一种实时生成动态浓烟的方法。算法以球为基本粒子对烟进行造型,采用动态纹理映射技术和透明度扰动方法,来模拟烟的浓淡变化,采用简化物理方法,来描述浓烟的运动。与传统的粒子系统和随机湍流运动模型相比,该算法既正确模拟了烟的行为,又降低了计算复杂性,真实再现了动态浓烟的视
视觉效果。     

基于球面增长的粒子系统左心室容积建模

针对左心室三维容积建模与估算问题,本文提出了一种基于球面增长的粒子系统左心室容积建模方法。通过对粒子系统动力学平衡原理的研究,结合球面增长原理以及粒子系统方法对形变物体建模的特点,设计和实现了一个适应于不规则物体三维建模的球面增长粒子系统初始化算法,重建左心室三维模型,为左心室动态容积估算奠定了基础。实验结果表明,该方法建模精确且效率高。     

三维云的建模和绘制

本文对计算机图形学中三维云的建模和绘制技术进行了概述,主要介绍目前比较典型的基于个体生长的云建模技术和基于物理过程的云建模技术.对基于个体生长技术中比较成功的粒子系统模型、变形球模型、体元模型、过程纹理函数模型进行详细分析,并总结了它们的成果与不足,比较了它们的适用范围,为研究三维云可视化技术提供借鉴.     

船行波的三维可视化仿真

从经典的Kelvin模型出发对船行波进行仿真,把船行波积分分为了船首和船尾两部分,并把船首部分的水粘性对船行波的影响考虑进去,使得船行波仿真更加真实.在求解积分方程时采用了收敛速度较快的龙贝格积分法,实现了三维船行波的可视化仿真.实验结果表明该方法可以灵活实现动态、逼真的三维船行波仿真.     

船舶海浪中非线性随机运动的可视化技术

研究船舶海浪中运动的可视化技术.通过采用船舶在海浪中运动的可视化技术,可以使船舶设计人员能够更直观地了解船舶的运动性能.采用具有平台独立性的OpenGL图形库对船舶在波浪中运动的可视化进行描述,讨论了建立船舶模型的可行方法和如何建立三维波浪的数学模型.考虑随机波浪及船舶的非线性阻尼、非线性恢复力矩,建立船舶横摇运动的非线性微分方程.采用Runge-Kutta方法求解非线性微分方程,根据数值模拟结果,应用OpenGL中的函数来生成船舶在海浪中运动的动画.所开发的程序模拟的船舶和波浪是三维的,可以对不同有义波高的波浪和不同船舶的运动进行模拟.     

基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪算法研究

双目立体视觉模型通过模拟人眼可以实现对目标距离的测量。为了获得水上船舶实时的运动状态,提出了一种基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪方法。首先,通过摄像机标定、线性空间点三维重建可以测得以相机为中心到船舶的距离,得到船舶的部分运动轨迹;其次,在双目立体视觉测距系统的基础上采用常速(Constant Velocity,CV)模型的方法对船舶运动建模;最后,对建立的船舶运动模型利用强跟踪卡尔曼滤波(Strong Tracking Kalman Filter,STKF)船舶轨迹跟踪的方法跟踪船舶的轨迹并估算目标船舶实时的运动状态。实验结果表明,基于双目立体视觉的船舶轨迹跟踪的方法能有效地跟踪船舶轨迹且适用于工程应用的需求。     

基于Processing实现多智能体环形围捕仿真

在以往多智能体编队研究的仿真分析中,相关物理量和运动轨迹常采用静态曲线描述,较少关注系统运动过程的实时动态刻画。针对上述问题,提出了一种基于Processing的动态仿真方法,首先,利用三阶贝塞尔曲线构造了一种新型软体仿生鱼模型。其次,综合虚拟结构法和人工势场法设计了能解决个体避碰问题的多智能体环形围捕控制律。最后,应用仿生鱼模型对多智能体环形围捕控制算法进行动态仿真。仿真结果表明,新型仿真方法直观增强了智能体位姿信息的动态可视化,验证了二阶积分器多智能体系统环形围捕算法的可行性。     

A three-stage multi-objective heterogeneous integrated model with decomposition-reconstruction mechanism and adaptive segmentation error correction method for ship motion multi-step prediction

Reliable and accurate ship motion prediction is essential for ship navigation at sea and marine operations. Although previous studies have yielded rich results in the field of ship motion prediction, most of them have ignored the importance of the dynamic characteristics of ship motion for constructing forecasting models. Besides, the limitations of the single model and the autocorrelation characteristics of the residual series are also unfavorable factors that hinder the forecasting performance. To fill these gaps, a multi-objective heterogeneous integration model based on decomposition-reconstruction mechanism and adaptive segmentation error correction method is proposed in this paper for ship motion multi-step prediction. Specifically, the proposed model is divided into three stages, which are decomposition-reconstruction mechanism, multi-objective heterogeneous integration model and adaptive segmentation error correction method. The effectiveness of the proposed model is verified using four sets of real ship motion data collected from two sites in the South China Sea. The evaluation results show that the proposed model can effectively improve the prediction performance and outperforms other traditional models and state-of-the-art models in the field of ship motion prediction. Prospectively, the model proposed in this study can be used as an effective aid to ship warning systems and has the potential for practical application in ship marine operations.     

舰载无人机起飞动力学研究与仿真

舰船搭载无人机不是简单的"无人机和舰船"组合,而是一项复杂的系统工程.海上和舰上的情况与陆地有很大差别,海浪特性、舰船运动、舰船空气尾流场、舰面建筑物和设备都直接影响到机-舰动态配合特性.无人机的舰上起飞是研究机-舰动态配合的主要内容,它是无人机起飞安全和充分发挥其潜力的有力保证.为此利用频谱分析方法得出海浪中舰船的摇摆运动规律,并把舰船运动、海面风场及舰船尾流的影响加入到无人机的运动方程中进行建模仿真,研究了舰船运动及海面风场影响下无人机从舰船起飞的动力学特性,并得出其安全起飞的基本条件.     

欠驱动船舶的运动规划和全局指数跟踪控制

针对目前欠驱动船舶航迹跟踪控制难以实现跟踪任意可行航迹问题,提出一种运动规划方法。利用多项式拟合,并结合船舶动力学模型,通过离散期望点规划出操作性可实现的全部期望姿态。同时,为实现欠驱动船舶的航迹快速跟踪控制,提出一种全局指数航迹跟踪控制律。引入微分同胚变换,建立两个级联的子系统构成的航迹跟踪误差动态方程;基于反步法的设计原理,运用Lyapunov直接方法对变换后的误差系统设计了全局指数航迹跟踪控制律。仿真结果验证了所提出的全局指数航迹跟踪控制律能够有效实现跟踪任意可行航迹。     

基于OpenGL的船舶电力系统三维可视化监控平台开发

船舶电力系统的监控对船舶的安全运行至关重要。为了更直观更真实的展示船舶电力系统的运行状态,设计开发了一种基于OpenGL的三维可视化监控平台。通过调用OpenGLAPI构造三维空间环境;根据船舶电力系统各种设备及其保护装置的物理特性建立三维模型,给定监控状态和仿真参数,实现了对设备模块的动态管理和对设备部件进行组态,构造了一个虚拟的船舶电力系统。通过采集设备状态数据,实现了对系统的组网监控和继电保护算法的实时仿真,配合各种颜色和动画展现出系统的状态,运行结果表明该系统具有直观、真实、交互感等特点,能够对设备的各种状态进行监控且具有保护功能。复杂的船舶电力系统结构和运行状态通过三维可视化的方式形象地表现出来,有助于操作人员更好地理解掌握系统运行过程,提高对船舶电力系统的操控能力。     

基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制

针对带有海浪干扰和参数不确定的SWATH船运动控制问题, 提出基于干扰观测器的SWATH船运动非线性预测控制. 首先对SWATH船运动进行建模、参数求解和海浪干扰仿真; 然后根据运动模型设计非线性预测控制律, 对SWATH 船升沉和纵摇进行控制, 同时利用干扰观测器对海浪干扰进行观测, 并从理论上证明了所设计的控制器可以保证SWATH 船运动的稳定性. 仿真结果表明, 所设计的控制器提高了SWATH船运动控制效果, 且能对海浪干扰进行抑制.

     

Multipoint potential field method for path planning of autonomous underwater vehicles in 3D space

A multipoint potential field method (MPPF) for path planning of autonomous underwater vehicles (AUV) in 3D space is presented in this paper. The algorithm is developed based on potential field method by incorporating a directed search method for sampling the potential field. In this approach, the analytical gradient of the total potential function is not computed, as it is not essentially required for moving the vehicle to the next position. Rather, a hemispherical region in the direction of motion around the AUV’s bow is discretized into equiangular points with center as the current position. By determining the point at which the minimum potential exists, the vehicle can be moved towards that point in 3D space. This method is very simple and applicable for real-time implementation. The problem of local minima is also analyzed and found that the local minima in 2D space can be easily overcome with the MPPF. A simple strategy to avoid the local minima in 3D space is also proposed. The proposed method reduces the burden of fine-tuning the positive scaling factors of potential functions to avoid local minimum. The algorithm development and the simulation results are presented.