臺灣博碩士論文加值系統

對於無人遙控潛器進行水下物件搜尋與檢測工作時，如果僅憑藉攝影機畫面、深度以及方向資訊是無法明確掌控
無人遙控潛器的位置，但是對操控員而言，掌握無人遙控潛器的位置資訊是相當重要的；另一方面，潛器操控員的操控技術養成是需要相當長時間的訓練，但基於時間、空間、以及經費的限制，大部分的操控經驗都是從工作中累積得來的，因此建立一套能即時監控且兼具操作訓練的ROV操控模擬系統是有必要的。考慮上述理由，因此本研究利用OpenGL(Open Graphics Library)以及C語言建立一套多功能的ROV虛擬實境操作介面，此介面除了具備模擬ROV作業環境的能力之外，也可以配合全球定位系統、深度計、電羅經、以及水下聲納定位系統等儀器計算出水下潛器的位置座標，使操控員可以隨時掌握ROV的運動狀態。在ROV的操控訓練介面方面，此系統可以變更水下環境相關物理參數（例如背景光線、能見度等等），操作者也可以利用鍵盤、搖桿、以及滑鼠等輸入裝置下達操控指令，並根據指令以及ROV的動態模式來模擬ROV在水下之運動行為。

A ROV pilot needs to wholly control the behavior of the ROV while it is in execution of object
recovery and detection in water. However, most of the commercial ROV operating systems only provide
information of video images, depth and orientation. It is difficult for the operator to integrate all information into a vivid picture while steering the vehicle. Besides, limited by the available and expensive operating support, most operators take a lot of practice and field experiences to develop their skill. Therefore, it is necessary to develop a simulator that equips with capabilities of displaying ROV status for real world operation and generating all different
operation scenarios for pilot training. This study has developed a multi-function ROV operating
virtual environment which integrates all sensory data in real-time to yield a 3D navigation map
for operators. Sensory data include GPS, orientation and depth of the ROV, and the acoustic
tracking system. In addition to the real physical components connected to the system, a virtual
environment for pilot training has constructed. This training environment allows modifying dynamic
parameters of the ROV and changing conditions of the ocean environment.
Keyboard, joystick and mouse are used as input devices for the system. The developed mathematical
model of ROV kinematics and dynamics can generate ROV''s corresponding motion according to the
commands of the trained-pilot.

目錄
第一章 緒論
1.1 研究動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
第二章 系統軟體架構 5
2.1 虛擬實境建構軟體 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 OpenGL功能簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 軟體架構圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
系統硬體架構 11
3.1 實水域資訊整合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 水下聲納定位系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 全球定位系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1.3 電羅經. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1.4 深度計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.1.5 球面座標與二度分帶座標(TM2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.6 攝影機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 虛擬環境介面整合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1 ROV操控裝置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.2 ROV動態與模擬計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
第四章 潛器動態模式 19
4.1 座標系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2 剛體動態方程式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3 剛體動態(Rigid-Body Dynamics) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.4 慣性矩陣. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.5 科氏力與向心力矩陣C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.6 流力阻尼矩陣D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.7 重力與浮力向量g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.8 海流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
第五章 ROV動態模擬 30
5.1 推力系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
5.2 參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2.1 剛體質量矩陣MRB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5.2.2 附加質量矩陣MA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2.3 剛體科氏力與向心力矩陣CRB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.2.4 附加科氏力與向心力矩陣CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.5 流力阻尼矩陣D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2.6 重力與浮力向量g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2.7 模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.3 前進動態模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.4 偏搖動態模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
第六章 ROV操控與訓練介面 43
6.1 操控介面功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.2 實水域模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.3 ROV操控模擬 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.3.1 操控模擬介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3.2 模擬結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
第七章 結果與討論 65
7.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.2 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
附錄A Runge Kutta Method 70
附錄B 座標轉換 72

[1] B. M. Slator, J. T. Clark, J. Landrum III, A. Bergstrom, J. Hawley, E. Johnston, and S. Fisher, ”Teaching with Immersive Virtual Archaeology,”SeventhInternationalConferenceonVirtualSystemsandMultimedia, 25-27 Oct. 2001,Berkeley, CA, USA, 2001, pp. 253-262, 2001.[2] C. Maher and M. Corbit, ”Creating Genetic Applications for Informal Science Learning in Multi-User Virtual Environments or Virtual Worlds,” Tenth IEEE International Workshops on Enabling Technologies: Infrastructure for Collaborative Enterprises,20-22 June 2001, Cambridge, MA, USA, pp. 291 - 298, 2001.[3] G. Burdea, G. Patounakis, V. Popescu, and R. E. Weiss M. D., ”Virtual Reality Training for the Diagnosis of Prostate Cancer,” 1998 IEEE International Conference on Information Technology Applications in Biomedicine, 16-17 May 1998, Washington, DC, USA, pp. 6-13, 1998.[4] Z. Soferman, D. Blythe, and N. W. John, ”Advanced Graphics Behind Medical Virtual Reality: Evolution of Algorithms, Hardware, and Software Interface,” Proceedings of the IEEE, Vol. 86, No. 3, pp. 531-554, March 1998.[5] M. Mehta, ”Virtual Reality Applications in the Field of Architectural Reconstructions,” Seventh International Conference on Virtual Systems and Multimedia, 25-27 Oct. 2001, Berkeley, CA, USA, pp. 183-190, 2001.[6] M. Schulz, F. Reck, W. Bartelheimer, and T. Ertl, ”Interactive Visualization of Fluid Dynamics Simulations in Locally Refined Cartesian Grids,” Proceedings of the Visualization ’99, 24-29 Oct. 1999, San Francisco, CA, USA, pp. 413-416, 1999. 67[7] P. Chapman, P. Stevens, D. Wills, and G. Brookes, ”Real-Time Visualization in the O shore Industry,” IEEE Computer Graphics and Applications, Vol. 21, No. 4, pp.6-10, 2001.[8] N. J. Pioch, B. Roberts, and D. Zeltzer, ”A Virtual Environment for Learning to Pilot Remotely Operated Vehicles,” Proceedings of the VSMM ’97, International Conference on Virtual Systems and Multimedia, 10-12 Sept. 1997, Geneva, Switzerland, pp.218-226, 1997.[9] X. Wang, G. Seet, M. Lau, E. Low, and K. C. Tan, ”Exploiting Force Feedback in Pilot Training and Control of an Underwater Robotics Vehicle: an Implementation in LabVIEW,” OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, 11-14 Sept.2000, Providence, RI, USA, Vol. 3, pp. 2037-2042, 2000.[10] T. I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley & Sons, Chichester, 1994.[11] SNAME, The Society of Naval Architects and Marine Engineers, Nomenclature for Treating the Motion of a Submerged Body Through a Fluid, Technical and Research Bulletin No. 1-5, 1950.[12] 江顯鴻，模糊控器在潛航器之應用， 國立中山大學機械工程研究所碩士論文，1992。[13] 顏嘉偉，海底無人小艇電腦控制系統之設計， 國立中山大學機械工程研究所碩士論文， 1994。[14] 蘇立欣，海下無人小艇之微電腦控制系統， 國立中山大學海下技術研究所碩士論文， 1997。[15] 覺明輝，海底無人小艇之水下定位系統， 國立中山大學機械工程研究所碩士論文， 1998。[16] 黃坤洋，開框架式無人小艇之設計、動態分析與控制， 國立中山大學機械工程研究所碩士論文， 2000。[17] 洪嘉蕙，以虛擬實境技術輔助水下遙控潛具導航之研究， 國立中山大學海洋環境及工程學系碩士論文， 2001。[18] http://www.morfit.com[19] D. Shreiner, OpenGL Reference Manual, 3rd Ed., Addison-Wesley Publishing Company,Reading, Massachusetts, 1999.[20] M. Woo, J. Neider, T. Davis, and D. Shreiner, OpenGL Programming Guide, 3rdEd., Addison-Wesley Publishing Company, Reading, Massachusetts, 2000.[21] R. Fosner, OpenGL Programming for Windows 95 and Windows NT, Addison-WesleyPublishing Company, 1997.[22] B. W. Kernighan, D. M. Ritchie, The C Programming Language, 2rd Ed., Prentice-Hall, 1988.[23] http://home.t-online.de/home/HL-soft/gpssim.htm[24] J. N. Newman, Marine Hydrodynamics, The Massachusetts Institute of Technology,1977.[25] F. M. White, Fluid Mechanics, 2rd Ed., McGraw-Hill, 1986.