基于约束模型试验的无人帆船速度预报

小型无人帆船在海洋观测领域具有广泛应用前景，而速度极曲线图是无人帆船设计和应用的重要基础。针对一条小型无人帆船的风帆选型问题，采用约束模型试验方法建立了4自由度动力学方程，并借助静态速度预报程序VPP获得了完整的速度极曲线图。基于不同方案的速度极曲线对比，实现了风帆选型的设计目标。为小型无人帆船的速度预报提供了适用的技术手段，对小型无人帆船的设计评估和设计优化具有重要借鉴意义。     

基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法

[目的]面向无人帆船在水面、水下跨域异构海洋机器人的协同作业场景,提出基于模型预测控制（MPC）的无人帆船轨迹跟踪方法。[方法]针对“海鸥”号无人帆船,建立其动力学模型及运动学模型,通过分析无人帆船动力学特点及执行器约束条件,构建MPC目标函数及系统约束条件,将无人帆船的轨迹跟踪问题转化为优化问题,并利用Matlab软件开展仿真实验验证。[结果]仿真结果表明,与“帆–舵”分离的PID轨迹跟踪控制方法相比,所提出的无人帆船“帆–舵”联合MPC控制方法更便于添加约束条件,其在风向变化的情况下能以更小的轨迹跟踪误差来更快地收敛于指定轨迹,且其可以实现逆风折线航行。[结论]研究成果可为无人帆船的帆、舵控制提供新的思路,提高其轨迹跟踪能力,进一步为无人帆船与AUV的高效协同作业提供技术保障。     

无人帆船四自由度运动建模与试验分析

建立无人帆船的运动学模型是开展无人帆船操纵性和运动控制研究的基础。为简便快速地建模，在保证模型准确性的基础上，降低模型开发的难度，以“海鸥”号无人帆船为例，采用船舶操纵数学模型小组（MMG）分离建模方法建模，综合考虑风和浪环境扰动，根据经验公式和计算流体力学（CFD）方法进行参数计算。在此基础上，根据试验数据进行试验复现，以验证模型的准确性。结果表明，建立的无人帆船模型和提出的参数计算方法适用于“海鸥”号无人帆船，跟踪536 m长轨迹，航速误差为13.41%，横摇角误差在10%以内。建立的四自由度无人帆船模型能反映无人帆船实体的速度和位姿，可基本复现试验现象。     

基于速度选择切换型视线法的无人帆船循迹航行

[目的]风帆的力矩以及海浪作用会造成帆船相比其他形式的动力船舶更容易偏离期望轨迹,这便要求无人帆船的循迹航行算法具有较强的抗干扰能力。[方法]对实船进行等比例建模并通过VPP速度预测程序获得帆船在不同航向下的较大速度,提出一种无人帆船速度选择切换型视线法,在保证无人帆船依靠风力获取速度的同时,再利用切换型视线法使无人帆船的航向角收敛于期望航向角,从而使无人帆船可以快速不断地驶向期望航向点。[结果]Matlab对比仿真研究表明,速度选择型视线法具有偏航误差小、抗干扰能力强且收敛速度较快的优点。[结论]无人帆船在不同风向下的湖上试验验证了速度选择型视线法的可行性,结果具有一定的工程应用价值。     

无人帆船短途路径规划研究

针对无人帆船短途路径规划问题提出速度最优法,并与传统的A*算法进行对比研究。两种方法的模拟计算结果对比,证明了速度最优法在短途路径规划的合理性,在逆风工况和风场变化频繁条件下明显优于传统A*算法。进一步的帆船模型湖上试验结果验证了速度最优法的实时性,与自动循迹控制程序具有良好的匹配性,可以满足无人帆船的短途航行要求。     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

无人帆船自主避障算法

针对无人帆船短途航行的避障需求构建了无人帆船自主避障系统，提出了基于A*的帆船避障路径规划算法以及基于LOS的帆船循迹控制算法。案例帆船的仿真测试和航行测试均成功实现多个障碍物场景下的自主避障航行，较为充分地证明了方法的可行性与实时性，对无人帆船应用具有重要意义。     

基于CFD的无人帆船襟翼帆空气动力研究

为推进无人帆船在海洋环境保护和资源勘测等方面的应用，为一款海上自动航行帆船设计了风帆结构，并进行气动性能分析。建立无襟翼帆、分离式襟翼帆和嵌入式襟翼帆3种翼帆模型，通过Fluent软件进行计算流体力学（CFD）计算分析，比较3种风帆的气动性能，分析变角度襟翼帆对风帆气动性能和对帆船推力提升理论的影响规律。结果表明，嵌入式襟翼帆对无人帆船风帆整体的气动性能具有提升的作用；随着襟翼帆偏转角的增大，风帆的升力系数和升阻比随之增大、帆船的推力系数明显增强，对帆船性能的提升具有较优的影响，促进无人帆船在推力提升方面的研究。     

无人滑行艇横摇运动模式实验分析

以1艘无人滑行艇为模型,在船模不同吃水和倾斜角度的情况下进行横摇衰减试验,得到一系列横摇角速度变化曲线。分别建立线性、非线性横摇衰减运动模式系统辨识的数学模型,以系统辨识原理为基础,确立目标函数。改编基于Visual Basic 6.0的遗传算法系统辨识程序,通过2种系统对无人滑行艇横摇的试验数据分别进行辨识,验证所改编程序的可行性。选取典型的小角度和大角度的辨识结果,对2种数学模型下的辨识结果进行比较。得出对于无人滑行艇,非线性数学模型的辨识结果较好的结论。     

无人船发动机前端附件驱动系统横向振动性能研究

通过对无人船发动机前端附件驱动系统横向振动特性分析,提高发动机输出稳定性和状态监测能力,提出基于动力学和结构可靠性分析的驱动系统横向振动分析模型,采用载荷引起的应变信号特征分析方法,提取前端附件驱动系统横向振动信号模型,对振动信号进行不同速度等级下载荷分析和动态响应特征提取,结合对部件的动力学和结构可靠性特征分析,根据信号幅频特征提取结果以及振动惯性参数检测结果实现对驱动系统横向振动性能动态分析。测试表明,该方法对驱动系统横向振动的动态监测能力好,实验结果验证了该方法对振动特性数值建模方法的可靠性与精度。     

考虑系统延时的无人船路径跟踪控制

针对无人船因控制系统延时而导致的路径跟踪性能退化,提出计及系统延时的路径跟踪控制策略,并设计了基于模型预测控制算法的双层路径跟踪控制器。基于线性模型预测控制算法,设计了USV运动学控制器,以此减小无人船路径跟踪偏差并得到期望速度。将系统延时处理为一阶系统,并将其和无人船的动力学模型耦合。基于非线性模型预测控制,设计了USV动力学控制器,用于响应无人船的期望速度。数值仿真结果表明,在存在系统延时的仿真环境中,论文提出的针对控制系统延时的处理策略可减小无人船的路径跟踪偏差和改善控制形态输入的平顺性。     

遥操作机器人系统软组织环境触觉建模实验

软组织作业环境作为面向微创手术的遥操作机器人系统的一个显著特点,其动力学精确建模具有非常重要的意义.本文研制了一套遥操作机器人实验系统,在动物软组织插针实验的基础上提出了一种交互过程中的非线性软组织力反馈触觉模型,设计了该模型动力学参数辨识的实验研究方法,并通过最小二乘法辨识模型参数.结果表明:本文建立的非线性软组织动力学模型比较准确,能够反映插针过程中力的变化过程,可以应用于虚拟手术仿真和控制策略的研究.     

基于LV-SVMs的UUV NARX动态辨识模型

鉴于水下无人控制机器人(UUV)的动态控制越来越重要,本文针对当前辨识模型存在的所获参数精确性不足,运用非线性黑箱辨识模型,提出了基于最小二乘支持向量机的UUV NARX动态辨识模型。将该模型应用于辨识UUV的两个关键参数偏航角γ和xy平面内的速度ν,取得了良好的辨识效果。     

一型两栖无人概念艇的横摇特性初步研究

多栖化是无人艇的未来发展趋势之一。提出一型两栖无人艇的概念艇型,其空气螺旋桨布置采用四旋翼飞行器的布置,水面部分采用类似五体船的形式。制作模型并进行一系列的横摇试验,同时还基于系统辨识方法研究不同侧体位置布置方案下的横摇特性。通过比较,验证了辨识方法的可靠性和数学模型的正确性,得到了该艇型的横摇特性在不同布置方案下的变化规律。     

小型帆船自适应自动舵

帆船由于其结构的特殊使其动态特性呈严重的非线性，航向很难控制。首先针对一种小型竞赛用的12m长美洲杯赛帆船，从其结构出发建立数学模型，并对该模型进行了开环仿真试验以验证其真实程度。然后利用MATLAB辨识工具在不同的外部条件下得到各具特色的不同模型，由此确认模型参数的巨大变化难以用一个近似于当前运行模式下的线性化模型设计控制器，因而设计了一个采用自适应LQR的自动舵以控制帆船尖不同外部条件下都能保持航向。最后在该模型上作了仿真，取得了较好的效果。     

基于改进卷积神经网络的船舶目标检测

为提高无人船研究中的船舶辨识速度和精度,弥补海上船舶目标检测中船载自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)和雷达图像的不足,提出一种基于改进卷积神经网络的船舶目标检测模型。设计多策略的卷积神经网络模型,利用船舶图像数据进行训练和测试,并将测试结果与基于区域提名和基于回归方法的卷积神经网络模型结果相对比。试验结果表明,改进的卷积神经网络模型的船舶检测准确率高于另外2种模型。     

基于泊位水岸线检测的无人艇自主靠泊方法

针对无引导标志物的自然泊位，提出一种基于泊位水岸线检测的无人艇自主靠泊方法。首先，通过无人艇搭载的摄像机对泊位进行采集，从中提取出泊位与水面交接的水岸线，并将其作为无人艇的跟踪对象；其次，通过图像中泊位左右两侧水岸线的消失点以及相机坐标系下原点与泊位水岸线投影点连线所形成的几何关系建立导航模型，求得偏航角、偏航距离、无人艇与期望停泊点的距离以及无人艇速度。靠泊控制器由航向控制器和速度控制器构成，其中航向控制器采用PD控制，根据偏航角和偏航距离实时控制无人艇的航向，速度控制器根据无人艇与期望停泊点的距离和无人艇速度来控制无人艇进行减速运动，使无人艇平稳安全驶向期望停泊点且在到达时速度为零。最后通过仿真和实船试验验证了该方法的可行性。     

基于模糊PID的无人帆船航向控制方法

[目的]无人帆船在复杂海况下会出现航向状态不稳定的现象,为提高帆船在多变和未知环境下的抗干扰能力与航行的稳定性,实现对帆船航向的准确控制,提出一种结合传统PID技术的模糊自适应控制方法。[方法]建立响应型三自由度的Nomoto运动数学模型,借助Matlab的Simulink建模工具搭建模糊规则和仿真控制器,对PID控制参数进行实时在线优化调整。分别在不同航速和加入随机扰动下,与传统PID控制进行对比研究,分析不同的控制方法对航向的影响情况,并通过试验进行对比验证。[结果]结果表明,应用模糊PID方法控制小型无人帆船的航向,具有较好的自适应能力和较强的鲁棒性。[结论]研究成果可为无人帆船的航向控制设计提供参考。     

双船拖曳系统运动响应研究

对双船拖曳系统的动力学运动特性和受力特性进行研究.通过建立含有阻尼模型的凝集参数方法,求解双船拖曳缆系统的动力学计算模型;将比例阻尼模型加入该动力学模型中,对放缆长度、拖曳速度、双船间距和船舶在波浪中的运动响应等进行计算对比分析,并根据所得结果验证该模型的有效性.通过对具有显著阻尼的双船宽面拖曳系统进行运动学响应计算,...     

无人艇艏向自适应离散滑模控制器设计

在受外界环境影响导致无人艇运动响应模型发生不确定变化的情况下,为实现无人艇艏向有效控制,设计基于在线辨识运动模型的自适应离散滑模控制器。利用递推最小二乘法对无人艇运动响应模型进行在线辨识。依托在线辨识的模型,设计基于指数趋近律的无人艇艏向自适应离散滑模控制器。通过仿真实验和实船实验进行验证,实验结果表明:与常规的模型参数固定的离散滑模控制方法相比,设计的控制器具有较好的鲁棒性和自适应性。