无人艇的研究现状与进展

随着无人技术在海洋平台上的运用,无人艇展现出了巨大的应用前景。本文介绍了国内外无人艇研发进展情况,总结了目前无人艇的艇型、动力、材料、控制、运用特点,指出了无人艇开发过程中的关键理论与技术难点,为下一步更加深入地研究提供参考。     

一种面向科研实验的无人艇

为对无人艇的相关技术进行实船验证研究,在分析科研试验对无人艇系统需求的基础上,设计和实现一种基于以太网的分布式无人艇系统。该系统利用微控制器实现对传感器数据和设备数据的分布式处理,并通过以太网交换机组建数据交换局域网;利用开源通信协议和开源库对系统软件进行开发;详细介绍无人艇系统的具体设计和实现过程。系统测试和实船试验结果表明,所设计和实现的无人艇系统工作稳定,能较好地完成指定任务。     

无人艇工程控制课程实践教学平台开发

针对在教学环节中存在的问题，利用计算机技术和工业软件开发无人艇工程控制课程实践教学平台。该平台可进行无人水面艇（Unmanned Surface Vessel，USV）建模及运动轨迹控制。针对USV物理参数的不确定性，根据运动学和动力学模型设计控制器，分析控制器参数对USV运动性能的影响规律。无人艇工程控制课程实践教学平台的建设应用可提升学生对USV的运动操控、故障判断及维护保养能力。     

无人艇研究进展及发展方向

近年来,无人艇行业的研究非常活跃,既有高等院校参与,也有工业界的研究机构参与,科研人员从不同研究目的出发,为无人艇的研究做出了各自的贡献。一般而言,无人艇是包含通信、导航、控制、监测等多种仪器的高科技装备,本质上是一种基于某些特定应用搭载各种装备和仪器、实现特定功能和任务的自动化水上平台。目前为止,无人艇的性能改进研究还有较大的空间,需要将控制理论与工程实际更进一步结合。本文将针对国内外无人艇的发展概况以及无人艇研究尚存在的问题展开论述。     

一种面向科研试验的无人艇

为对无人艇的相关技术进行实船验证研究,在分析科研试验对无人艇系统需求的基础上,设计和实现一种基于以太网的分布式无人艇系统。该系统利用微控制器实现对传感器数据和设备数据的分布式处理,并通过以太网交换机组建数据交换局域网;利用开源通信协议和开源库对系统软件进行开发;详细介绍无人艇系统的具体设计和实现过程。系统测试和实船试验结果表明,所设计和实现的无人艇系统工作稳定,能较好地完成指定任务。     

多无人艇的航迹分散控制算法

传统多无人艇航迹控制算法有效控制范围较小。对此,设计多无人艇的航迹分散控制算法。对无人艇航迹参数进行坐标定位,建立航行轨迹方程,获取无人艇漂角等参数坐标,利用无人艇初始位置和航向漂角等信息,生成无人艇期望航向角,明确无人艇控制航迹,提出船舶PID控制规律算法和辅助性指标TTAR算法,解决多无人艇期望航向角重合问题,实现多无人艇航迹分散控制。实验数据表明,设计的无人艇轨迹分散控制算法无人艇控制绝对有效控制范围扩大27%,次级控制范围扩大19.5%。具有实际应用优势。     

无人艇智能航路规划系统研究

近年来,随着人工智能等高新技术的发展,无人平台的发展日新月异,以无人水面艇为代表的无人平台受到国内外专家学者越来越多的关注。其中航路规划系统是实现无人艇正常航行和体现无人艇智能化的关键技术之一。目前大多数航路规划算法适用的场景主要为无人艇的自由航行,避碰能力单一,且未充分考虑无人艇自身欠驱动型以及机动能力的限制,很难满足复杂障碍环境下智能避碰的需求。本文设计基于分层规划的航路规划方案,提出多单元模块下的无人艇航路规划策略,并基于无人艇自身特性设计对应的轨迹规划单元。最后在GIS数据上,对所设计的智能航路规划系统进行仿真验证,实验结果验证系统的有效性和实用性。     

智能无人艇研究现状及关键问题发展趋势

详细调研无人艇的发展现状，分析其走向自主智能化的现实瓶颈，并揭示无人艇平台的缺失及智能博弈对抗能力差这2个制约智能无人艇落地的根本问题。针对这2个问题，结合数字孪生技术，给出水面无人艇群体智能研究平台设计方案，同时也提出对基于深度学习的多智能体博弈对抗的相关可行性设想，为实现无人艇在复杂海洋环境下的自主航行、群体决策和博弈对抗等目标打开新思路，有望为我国智能无人艇的工程实践落地提供技术支持。     

无人艇远程优化服务平台设计

针对各类无人艇新艇型优化设计系统相对独立、设计信息相对封闭、设计周期长、成本高及缺乏综合集成平台等一系列问题,本文提出一种基于互联网的无人艇远程优化服务平台。以一种水面无人翼滑艇为研究对象,综合考虑无人艇快速性、操纵性、耐波性及抗倾覆性,结合约束条件,建立航行性能的无人艇艇型综合优化数学模型,并基于Visual Studio平台构建1套水面无人艇综合优化服务平台。采用打包工具将平台制作成可供安装的客户端应用程序,通过远程控制软件和网站发布的形式实现服务平台的远程应用。经测试,无人艇远程优化服务平台可靠性良好,计算结果稳定,计算结果文件传输方式可靠。可有效缩短新船研发与设计周期,降低设计成本。     

计算机辅助无人艇自动操纵性研究

为了有效提高无人艇操控性能,确保无人艇自身安全,设计计算机辅助技术的无人艇自动操纵性控制技术。首先分析高速无人艇操控机理模型,建立无人艇多自由度数学模型,然后根据当前数据结构最小化的数据准则原理,引入线性函数,动态坐标划分为差平面,提出对应控制策略,最后采用计算机辅助技术建立的偏差自适应体系实现无人艇操控调整。仿真实验数据证明,本文技术的无人艇航线跟踪和自主航行控制性能明显提高。     

无人船在港口水域海事监管中的应用探讨

近年来,随着与船舶自主航行相关的信息技术、人工智能技术水平的提高,无人船舶行业取得了长足的发展,其在海上安保、环境监测等领域应用也越来越成熟。为推动无人船在海事管理方面的应用研究,破解港口水域海事监管手段不足的瓶颈问题,文中在分析港口水域海事监管特点和无人船系统建设条件的基础上,定量研究了无人船在港口水域海事监管应用面临的性能指标确定、船型平台选择、载荷设备搭配、运行管理体系建设等方面的具体问题,提出了一种港口水域海事监管无人船系统的应用解决方案。     

基于深度学习的水面无人船前方船只图像识别方法

建立基于图像识别系统的水面无人船感知平台，采集内河船舶图片数据库建立船只检测单层多尺度深度学习（Single Shot Multibox Detector，SSD）框架，通过使用预训练模型参数调优并微调分类框架实现较高的内河船舶检测准确度。试验结果表明，不同天气状况下的识别算法的查全率和查准率均能保持在70%以上     

基于视觉伺服的欠驱动无人水面艇自主靠泊方法

无人水面艇在开阔水域的自主航行得到了广泛的应用，但由于码头结构复杂、船只较多等因素，目前无人水面艇的靠泊还是需要人工来完成，这已成为无人水面艇全自主作业的瓶颈问题。为此本文提出了一种基于视觉伺服的无人水面艇自主靠泊方法。首先，通过无人水面艇搭载的视觉系统采集泊位的场景，从中提取出泊位标志物并将其作为视觉跟踪的对象；然后，利用标志物图像和期望图像的几何参数计算出航向偏差角，通过标志物图像计算标志物和无人艇的位置关系并求得虚拟航线，进而得到偏航距离；最后，选取航向偏差角和偏航距离作为控制变量，控制器实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向泊位，当标志物图像与期望图像的差值小于设定阈值时即停止自主靠泊任务。实船试验结果表明，在较小风浪条件下靠泊位置误差小于0.7m，航向误差小于12°。     

小型无人艇集成控制系统设计与实验研究

针对传统无人艇控制系统集成度低、可靠性差、通信距离有限等问题和在运动控制中存在的艇身水动力系数不确定性,加上外界风浪流的干扰等非线性因素,设计开发了一种小型无人艇集成控制系统。首先详细阐述了该集成控制系统的硬件结构、软件工作模式、控制模型及运动控制算法,使用 Matlab/simulink工具箱进行速度、航向及深度的运动控制仿真实验。然后以自研的无人艇样机为实验对象进行下水实验。最终计算机仿真和实物下水试验结果表明,所设计的运动控制器不仅能实现艇上各传感器的数据采集与通信功能,下达和反馈运动控制指令的功能,也可以在一定外界干扰下跟踪运动控制中的期望目标,实现控制要求。     

水下拖曳体自主布放回收装置设计与研究

为了保证搭载于水面无人艇(Unmanned Surface Vehicle)的水下拖曳体(Underwater Towed Vehicle)能够正常工作,并且能够自主布放和回收水下拖曳体,设计了一种基于无人水面艇的水下拖曳体自主布放回收装置。该装置主要包括绞车、液压系统、滑台、滑轨、起升架以及其他辅助机构,通过液压驱动绞车实现缆绳的收放,通过液压缸驱动起升架、滑轨和滑台实现3级布放回收。整套装置采用液压驱动,滑道式布放回收,该自主布放回收装置可靠性高,占用甲板空间小,满足无人条件下作业,提高了工作效率,工程应用价值高。     

复合动力超长续航无人艇系统的设计与实现

为实现无人艇在海上追踪、搜救、巡逻、反潜等任务中的超长续航,避免因油料限制而被迫任务中断,设计了一套以风能、太阳能为动力的无人艇系统,利用风帆为无人艇推进,太阳能为船上电控设备提供电能。该系统由无人艇和岸基监控平台组成,无人艇可通过python开发的数据采集模块和算法模块实时采集环境数据、计算、生成并下达控制指令,在风区内可超长续航自主航行,实现全风向利用；岸基监控平台可实时监控无人艇状态,并进行自主/遥控模式切换。对系统进行了测试,通讯连接试验的可靠性高；无人艇航行试验验证了全风向自主航行的可行性,运行轨迹与仿真结果基本重合；太阳能供电分析理论上验证了风区超长续航的可实现性。     

基于不同航行状态无人艇的水动力模型研究

无人艇操纵灵活,机动性强,在很多方面都有着广泛的应用。但相关研究还比较少。以往的单一水动力模型只是针对特定航行状态进行研究,对于不同的航速,单一的水动力模型已不再适用。因此随着航速不同,建立同一艘无人艇在不同航行状态下的水动力模型,并研究在此模型下无人艇的运动特性成为一个难点,也是研究真实无人艇的一个关键环节。论文在以往学者的研究成果基础上,给出了一种全新的水动力模型,并就某一真实无人艇,研究从静止到高速起滑整个过程的水动力与航速之间的开环变化关系。仿真结果表明了所给模型的有效性。