未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制

[目的]针对水面无人艇（USV）编队轨迹跟踪中存在的未知扰动和队形变化问题,提出一种基于有限时间扰动观测器的最优反步控制（FDO-OBC）方法。[方法]首先,基于虚拟结构法,建立无人艇编队控制框架,并设计运动学和动力学编队控制器;其次,设计有限时间扰动观测器,实时估计补偿未知环境扰动;然后,针对编队队形变化的轨迹跟踪问题,提出基于最优反步控制的动态轨迹优化策略,利用扰动观测器信息来计算最优控制输入,实现无人艇编队轨迹跟踪的动态优化;最后,采用李雅普诺夫稳定性理论证明该编队控制方法的稳定性。[结果]仿真对比结果表明,FDO-OBC策略可有效提高无人艇编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]对于面向扰动环境下的无人艇编队控制系统设计,FDO-OBC方法提供了一种新的技术手段。     

水面无人艇编队雷达电磁环境预测方法

水面无人艇编队自主式协同联合作战是未来海军作战的主流趋势和新型样式。无人艇编队中用于电子战、通信、导航、警戒、态势感知的传感器种类和数量急剧增多,射频集成度也越来越高,迫使水面无人艇雷达电磁环境与单艘艇相比复杂度更高。本文提出一种水面无人艇雷达电磁环境新型预测方法,构建雷达电磁环境综合场强及其功率密度、主波束辐照叠加空间的数学模型,并设计开发了水面无人艇雷达电磁环境综合场预测计算程序。研究结果表明,水面无人艇编队雷达电磁环境综合场功率密度随着天线辐射功率、增益、无人艇数量的增加而增大,随着艇间距的增大而减小。     

基于任务可靠度的无人艇可靠性评估方法研究

针对无人艇的任务可靠性评估问题,对有人艇与无人艇的差异进行分析,进一步明确无人艇的任务剖面和可靠性评估的关注要点,并给出任务可靠性评估的方法,为无人艇复杂任务场景及环境下高效、低成本的可靠性评估提供了理论基础和技术支撑。     

基于改进RRT算法的无人艇编队路径规划技术

[目的]为了解决无人艇编队在智能航行时全局路径规划与局部自主避碰问题,提出基于改进快速搜索随机树(RRT)算法的无人艇编队路径规划技术。[方法]针对无人艇编队形状稳定问题,在RRT算法扩展环节提出一种非严格保形修正向量与非严格保形控制圆区域,使搜索树有朝着严格保形坐标点生长的趋势;针对突发障碍物与非严格保形规划点碰撞问题,在RRT算法碰撞检测环节提出可调节避碰圆区域与障碍物修正向量,使无人艇安全避碰并最大程度地保持队形稳定。[结果]结果显示,无人艇编队在该算法作用下表现出了良好的保形性能,并能对突发障碍物进行有效的避碰。[结论]该算法效能高、稳定性强、路径规划质量高,在实际工程应用中具有重要的意义。     

基于区块链技术的海事信息管理场景应用

针对海事信息数据治理中系统异构和安全等问题,分析并总结国内外海事信息的管理现状,以区块链技术的优势和原理为出发点,提出一种基于区块链技术的海事信息管理模式,并设计系统模型与构架以提升效率与安全性。为说明适用性,以船员认证信息管理的场景为具体演示,详细说明区块链上信息认证与验核的实现流程,就可行性进行探讨。研究结果表明:从逻辑契合和技术匹配的角度,区块链技术能够广泛扩大海事管理参与的主体范围,解决现有问题。区块链技术可作为"一带一路"沿线国家海事数据治理的"一个窗口"协同框架,给未来无边界的海事多元协作提供新的技术思路。     

区块链在船运领域的应用现状及发展前景

船运业是多个角色共同参与的行业,符合区块链技术的应用场景。为探索区块链技术在船运领域的发展情况,通过专利分析的方法总结区块链技术的研究趋势及研究热点,并通过文献调研和典型案例研究的方法介绍区块链技术的国内外应用现状。研究成果表明,区块链技术的应用场景可概括为船载终端、航运治理、通航资源和港口运营等4类,区块链技术在船运领域未来的发展方向可总结为技术集成化、存储标准化以及应用深层化等3个方面。     

水面无人艇领航—跟随固定时间编队控制

[目的]为解决复杂扰动下的领航—跟随水面无人艇(USV)编队控制问题,提出一种固定时间控制(FTC)方法。[方法]针对跟踪控制子系统,设计一种基于积分滑模的固定时间跟踪控制(IMS-FTC)策略;针对编队控制子系统,设计一种基于有限时间扰动观测器的固定时间编队控制(FDO-FFC)策略;基于Lyapunov稳定性理论证明所设计的编队控制方法的整体稳定性。[结果]采用经典CyberShip II试验模型进行仿真研究,结果显示所设计的控制方案能够有效提高领航—跟随USV编队系统的精确性和鲁棒性。[结论]研究成果可为无人艇编队控制系统设计提供先进的技术手段。     

基于动态多实体贝叶斯网络的无人艇任务决策研究

任务决策是实现无人艇智能自主的关键环节,其存在着场景多样性、状态不确定性、约束动态性等问题。为此,本文提出动态多实体贝叶斯网络模型。首先设计了面向无人艇的语义推理框架,对无人艇本体信息进行知识表示。进一步,采用概率本体语言方法描述不确定性知识,同时扩展动态贝叶斯网络的结构,从而提高了无人艇任务决策在不确定性因素和时序因素影响下的推理能力。最后针对岛礁区域防守的任务场景,与多实体贝叶斯网络模型进行对比,结果表明DMEBN模型在动态条件下具有执行策略的连续性,验证了模型的可行性和有效性。     

水面无人艇控制器设计与避碰试验

针对传统无人艇通信距离短,功能少的问题,设计一种新的无人艇航行控制器。首先在试验用的无人艇上搭载并调试好各种通信和控制设备,然后在VS2017环境中编写控制程序,使之具备实现岸站与无人艇的通信、数据采集、下达运动控制指令等功能,并在无人艇上装备航海雷达,在航行过程中不断扫描水域环境,提取附近的障碍物信息。最后进行拖曳水池试验和湖试,验证无人艇的操纵性能和所编程序的有效性。试验结果表明,利用所设计的无人艇控制器及编写的程序能实现无人艇自主航行,并采取合理的措施避让障碍物,在软件地图中可以显示无人艇的运动轨迹。     

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。     

自主学习在无人艇路径规划上的应用

近年来,无人艇技术不断成熟,在海事监管、执行作战任务等方面有较为广泛的应用。随着控制技术和计算机技术的不断发展,无人艇已经具有了自主航行,目标探测等功能。本文主要研究无人艇的路径规划功能,合理的路径规划可以节约无人艇的能源,延长无人艇的续航时间。首先针对水面无人艇的动力学特性进行了系统的建模与分析,然后针对其动力特性设计了一种基于神经网络算法的自主学习控制系统,并对该系统的性能进行仿真测试。     

基于区块链技术的集装箱航运模式优化研究

针对当前集装箱航运领域的运作模式和痛点难点,以区块链技术的技术特性和分类特点为出发点,从区块链技术与集装箱航运二者的技术匹配及方案匹配两个角度,分析区块链技术应用于集装箱航运的可行性,并总结当前应用现状。在搭建区块链技术在集装箱航运领域的4个主要应用场景的基础上,针对各场景提出基于区块链技术的集装箱航运新模式,阐述其具体的运作方式和流程。区块链技术的应用,为优化集装箱航运模式及改善国际航运贸易形势提供了全新的技术思路。     

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。     

无人水面艇自主回收中的导航定位技术分析

无人水面艇的布放回收长期以来都是依靠人工进行,是制约无人艇在实际工程广泛应用的重要因素之一。导航与定位技术是无人艇实现自主回收的关键,然而目前无人艇回收过程基本还采用人工遥控手段,保障要求高、智能化水平低。本文阐述了无人艇自主回收过程中导航定位技术的应用现状,介绍了无人艇回收各个阶段的导航过程,对其中涉及的关键技术进行分析,包括无人艇多源导航信息融合技术和近距离视觉相对定位技术,最后对无人艇自主回收中的导航定位技术进行总结与展望。     

多无人艇集群协同控制研究进展与未来趋势

当前,海洋航行器呈现智能化、网络化、集群化等重要发展趋势,多无人艇通过协同实现集群化作业,是未来海洋作业的主要形式之一。从无人艇运动数学模型出发,分析了多无人艇集群控制所面临的问题和挑战,根据多无人艇运动不同的场景,从轨迹导引、路径导引、目标导引3个方面综述了多无人艇集群协同控制的研究进展。最后,对多无人艇协同控制的研究方向和未来趋势进行了总结和展望。     

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。     

水面无人艇单目视觉伺服自主控制研究综述

单目视觉伺服采用相机模仿人眼视觉功能,感知周围环境和测量运动状态,是提高无人艇航行感知与控制自主性的重要手段。首先,从基本原理出发,简述视觉伺服技术分类、相机透视投影原理和无人艇运动数学模型,为文献综述分析提供框架基础。然后,根据任务复杂度,依次综述单目视觉伺服在无人艇航向控制、镇定控制、轨迹跟踪控制和集群控制等典型应用场景下的研究进展和挑战。最后,系统性地总结无人艇单目视觉伺服自主控制的潜在研究方向和发展趋势。     

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。     

基于机器学习的实海域无人艇避碰算法智能演进方法

[目的]无人艇(USV)效能是指在给定时间内的特定海域完成指定任务的能力,是多层次多技术节点耦合作用的结果,而针对单一技术节点的传统优化方法,对无人艇效能的提升效果有限。[方法]针对无人艇自主系统的特点,从智能算法的角度,提出无人艇智能演进的2种主要形式:一是算法函数;二是算法参数。在此基础上,给出基于机器学习的无人艇智能演进方法,设计一种可演进的无人艇自主系统控制体系架构,并在实海域测试。[结果]以无人艇避碰算法为例,基于实海域测试结果,初步验证了所提方法在提升无人艇效能方面的可行性与有效性。[结论]基于机器学习的无人艇智能演进方法是持续提升无人艇效能的有效途径,具有较高研究价值和应用意义。     

舰船编队雷达网协同体系中的嵌入式ARM仿真系统研究

舰船航行在广阔的海面时,其编队之间的通信系统会独立于岸基的通信系统,为了能够保证编队成员之间的通信安全,往往会通过雷达系统建立临时的协同通信网络,一方面加强了通信的距离,同时也能够有利于成员之间的信息共享,发挥编队的优势。本文主要研究舰船雷达协同作战系统的通信原理,然后简述系统作战的拓扑网络。结合最新的ARM嵌入式通信平台,对协同通信中遇到的数据处理、控制器数据过滤等技术进行验证,提出了一些有益的建议。