無人遙控潛器ROV(Remotely Operated Vehicles)的操控技術養成需要長時間的訓練，
但受限於時間、空間、經費等因素，大多數操控員的操作經驗往往是從工作中慢慢累積的。
所以本研究希望建立一套ROV操控訓練系統，提供操控員學習操控技術，
也能依據不同的作業環境以及作業需求來設計場景與訓練課程。
本研究發展的ROV操控訓練系統是由OpenGL(Open Graphic Library)以及C++語言建構而成，
提供場景編輯系統(Scene Editor System)，供使用者依實際作業環境需求設定場景的環境參數
(如背景光源、能見度、海水流速等)、地形、以及建立物件等。
使用者亦能利用系統所提供的任務指令，設計不同的操控訓練任務，同時為了配合建構所需場景，
系統也允許匯入經由場景編輯系統所建立的任務場景。此外，
本系統也結合ROV動態方程式模擬ROV的動態行為，並結合碰撞偵測(Collision detection)來呈現ROV的碰撞反應。
系統會自動記錄每次訓練的ROV運動軌跡，可供操作員回顧整個操作過程，以改進操控缺失。
為了讓ROV初學者能學習操控技巧，本研究設計操控訓練課程幫助操作員熟悉介面使用以及操控技術，
並利用田口方法探討軌跡顯示輔助、水下能見度、水下定位誤差、
以及海流對操作員操控ROV進行任務所造成的影響，由分析結果發現能見度對水下目標物搜索的影響最大。

The maneuver of ROV requires considerable pilot skill which is a product of physical and mental practice over a long period of time. However, with the limitations of ROV safety, the availability and high cost of deploying equipment, most of ROV pilots gain the necessary skill through on-the-job training. In this study, we developed a simulation system for ROV pilot training and mission planning. This system is implemented in C++ with the cross-platform OpenGL for 3D graphics. It equips with a scene editor allowing the user to build complex 3D geometric objects from simpler primitives. This editor allows the user to change settings of ambient light intensity, visibility, current speed, and seafloor topography for fulfilling specific training requirements. As well, the user can translate and rotate the entire 3D scene and look at it from different vantage point. Besides, this system provides the user with simple commands for mission planning. For realistically simulating the dynamic behavior of the ROV, the nonlinear hydrodynamic equations of motion of the ROV with six degrees of freedom are applied to describe its motion. Moreover, this system is built with the capability of collision detection for evaluating the collision response of ROV. During the training process, the data engine records all navigation data which can be retrieved and played after conducting a training course. The animation playback function exactly reproduces the scenario that occurs during the period of training. It presents the trainee with the opportunity to review the whole operation scenario. Besides, experiments were designed based on the Taguchi Method to study the effects of different factors on ROV pilot performance. The factors selected for evaluation include ROV trajectory display, underwater visibility, ROV positioning error, and current speed. We found that underwater visibility has the greatest influence on ROV pilot performance, next are ROV positioning error and ROV trajectory display, then the current speed. This result will be helpful in rating the level of difficulty of the training.

第一章 緒論
1.1 研究動機與目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
第二章 虛擬實境建構
2.1 虛擬實境簡介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 虛擬實境建構工具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 OpenGL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 VRML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 3D物件之建構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
第三章 ROV動態數學模式
3.1 座標系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.1 大地座標系統以及動座標系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.1.2 座標轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.2 ROV動態數學模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 重力與浮力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.4 海流 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
第四章 ROV動態模擬系統
4.1 ROV動力參數設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 ROV動態模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 碰撞模擬 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3.1 碰撞偵測函式庫Coldet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3.2 碰撞反作用力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3.3 動力回饋 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.3.4 碰撞模擬測試 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.4 懸浮粒 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 系統設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5.1 元件規劃 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5.2 系統架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5.3 系統介面與功能 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
第五章 ROV操控訓練模擬系統
5.1 場景編輯系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.2 任務指令 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.3 ROV操控訓練系統介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.1 登入及任務選單介面 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.2 系統介面說明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.3.3 操控方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
第六章 實驗規劃與結果
6.1 任務規劃 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.1.1 ROV操控訓練. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
6.1.2 ROV水下搜索任務. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2 實驗設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2.1 品質特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2.2 可控因子選擇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.2.3 直交表選擇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.3 測試結果與分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
第七章 結論與建議
7.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.2 建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

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