面向自主靠泊的船舶航迹估计方法

针对无人船在靠泊过程中自身运动估计和周围环境重建的需求,提出一种基于水面区域去除的船舶航迹估计方法。分析船舶靠泊场景中水域图像的特征,提出水岸线检测方法,将该水岸线检测方法与视觉里程计(Visual Odometry,VO)方法相结合,提出一种泊位水域环境中的船舶航迹估计方法,采用实船试验进行验证。现场试验表明:该方法在自主靠泊场景中对船舶航迹进行估计是可行的,试验结果与真实数据(Real Time Kinematic,RTK)值对比表明:在忽略尺度的情况下,算法估计轨迹的精度可满足靠泊要求。     

基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制

[目的]针对拖轮的自主靠泊控制问题,研究基于虚拟船领导的目标跟踪控制策略在拖轮自主靠泊中的应用。[方法]首先,将拖轮的自主靠泊过程转变为虚拟拖轮和实际拖轮的目标跟踪控制过程;然后,设计靠泊系统的运动学模型,考虑靠泊场景中的特殊环境干扰,使用反步法和滑模控制法（SMC）设计全回转尾推进拖轮的自主靠泊控制器,提供了3种不同的滑模面设计并使用李雅普诺夫函数进行稳定性验证;最后,采用仿真实验的方式,通过靠泊轨迹、速度误差和距离误差来对控制的效果进行验证。[结果]仿真实验结果表明,设计的拖轮自主靠泊控制策略以及控制器在拖轮自主靠泊场景中具有较好的效果,面对系统的不确定干扰有较好的表现。[结论]该控制策略以及靠泊控制器的适用性以及鲁棒性较好,以全新的角度实现了拖轮自主靠泊控制,为后续拖轮的靠泊控制研究提供了新的方向。     

集装箱码头船舶柔性靠泊系统的仿真建模与对比分析

船舶柔性靠泊是当前集装箱码头运作管理的主要调度模式.针对船舶柔性靠泊系统的特点,建立了集装箱码头船舶柔性靠泊系统的仿真模型,实现了集装箱船舶到港、柔性靠泊、装卸与离港的船舶服务系统模拟仿真.并基于仿真实验.对比分析了固定靠泊和柔性靠泊仿真系统对仿真决策的影响.     

基于零空间的船舶自主靠泊自抗扰控制分配

[目的]针对船舶自主靠泊过程中遇到的环境载荷、岸壁效应、模型不确定以及控制分配误差等多源干扰的影响,提出一种基于零空间的自抗扰控制（ADRC）分配方法。[方法]首先,建立船舶靠泊运动数学模型、多源干扰模型和控制分配模型,并据此设计神经网络扩张状态观测器（NNESO）实时估计船舶运动及其所受到的多源干扰;然后,引入零空间技术设计控制分配算法,并基于该方法实现先泊位外镇定再平行靠泊方案;最后,证明船舶自主靠泊系统在所提方法下所有误差信号一致最终有界,保证船舶自主靠泊过程的安全性。[结果]仿真对比结果表明,所提方法在轨迹跟踪效果与二次规划（QP）法近似的情况下,求解所需时间为其1.3%,艏向最大分配误差为伪逆法（PI）的36.51%。[结论]所提方法在满足靠泊运动控制精度的同时,求解所需时间明显缩短,最大分配误差显著降低,保证了控制分配的实时性与精确性。     

基于模糊控制的无人船自主平行靠泊仿真

为了进一步解决配备艏艉侧推的无人船在风流干扰下的平行靠泊问题,将靠泊任务拆分成艏向调整、纵向调整和横向调整,设计了3个对应的模糊控制器以及控制方式选择算法。根据船舶的当前状态选择不同的控制器,在风流干扰下采取并行控制的方式抵抗扰动。利用船舶操纵模拟器实现不同初始状态以及不同风、流干扰下两艘船的自主靠泊仿真,均能较好地完成靠泊,验证了靠泊系统控制算法的有效性,并具有一定的抗干扰能力以及泛化能力。     

基于岸基激光雷达的靠泊船舶辅助信息的获取研究

本文提出了一种基于岸基激光雷达来获取靠泊船舶的辅助信息估计方法。本文通过岸基激光雷达获取靠泊船舶的点云数据,从船舶靠泊时的船艏和船艉处的点云数据中确定了船舶靠泊偏角和离岸距离,然后根据船舶的船艏和船艉处点云的轨迹变化,计算出船舶法向靠岸速度。相对于传统靠泊时利用AIS和雷达获取船舶靠泊速度和航向角,本文算法能够更加直观获取船舶的靠泊偏角、离岸距离和法向靠岸速度,能够降低平行靠泊的难度,提高靠泊作业的效率和安全系数。     

基于改进LOS导航算法的智能船舶自动靠泊控制研究

针对智能船舶自动靠泊控制中航迹规划和轨迹跟踪的问题,提出一种基于改进视线导航(LOS)算法的自动靠泊方案。将LOS导航算法与线性自抗扰控制(LADRC)器结合,解决了靠泊过程中模型内部参数不确定性和外部时变扰动的问题。为了进一步解决自动靠泊转向过程中跟踪误差大的问题,在LOS算法中融合坐标补偿算法,改善了系统控制性能,加快了收敛速度。通过引入线性自抗扰控制器,增强了系统对外界时变扰动的抑制能力。仿真结果表明,LOS和坐标补偿融合算法具有良好的鲁棒性和显著的控制效果,为船舶自动靠泊控制提供了一种有效的技术手段。     

船舶靠泊液压缓冲系统设计

针对失控船舶在码头或岸边靠泊产生的冲击问题,采用节流阀、蓄能器、液压缓冲油缸进行缓冲吸收,设计船舶靠泊液压缓冲系统,利用AMESIM搭建船舶靠泊液压缓冲系统仿真模型,仿真分析船舶总质量、船舶速度、蓄能器气囊压力、节流阀通径对系统缓冲特性的影响,结果表明,该系统能有效解决失控船舶的冲击问题,船舶总质量或速度增大,靠泊液压缓冲系统吸能量均增大,蓄能器气囊压力或节流阀通径增大,靠泊液压缓冲系统吸能量基本不变。     

基于拖轮自主协同的大型船舶靠泊技术研究

针对大型欠驱动船舶提出一种基于多艘拖轮自主协同的靠泊控制方案。通过设计多层次优化控制策略，实现目标大船以设定的首向角和速度到达设定位置的功能。在上层协同控制中将目标大船和4艘顶靠拖轮作为一个整体组成动力定位系统，通过优化控制逻辑和几何关系，实时计算每艘顶靠拖轮的目标首向、位置和输出推力。根据上层控制计算结果，在下层控制中对每艘拖轮完成闭环控制。针对典型工程问题给出了基于前馈修正的控制算法。仿真结果表明，这4艘拖轮通过自主协同可以控制无动力大型船舶以设定的首向角和速度到达目标位置。     

船舶靠泊组合下的泊位年通过能力仿真研究

对某改扩建的油码头，首先采用基于设计规范的设计方式对泊位年通过能力进行初步计算。由于任意泊位停靠船舶的船型大小会对其它泊位停靠船舶的船型大小产生一定约束（即船舶靠泊具有组合约束），考虑到这类船舶组合靠泊对码头泊位年通过能力的影响，引入仿真技术对船舶靠泊组合约束下的码头泊位年通过能力进行仿真计算，并将仿真数据与基于设计规范方式得到的数据进行比较和分析，为船舶靠泊组合约束下的泊位年通过能力的计算提供新思路。     

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IGA-BP算法的船舶航向智能自适应控制系统设计

在深入研究基于BP学习算法的前向神经网络以及模糊神经网络控制器的基础上,针对模糊神经网络控制器难以设计以及传统BP学习算法易于陷入局部收敛的不足,结合免疫遗传算法的全局收敛特性以及BP学习算法局部收敛的快速性,提出了一种基于混合计算智能方法的IGA-BP算法的神经网络参数的优化设计方法.将设计的控制器用于建立船舶航向控制系统模型,仿真结果表明,在船舶无干扰和存在随机干扰的情况下,基于IGA-BP算法设计的船舶航向控制系统均能使船舶转向控制无超调,跟踪快,比BP学习算法的控制效果更理想.     

Numerical study on the hydrodynamic forces on a ship berthing to quay by taking free-surface effect into account

In the present study, numerical simulation of the berthing maneuver of a ship in the prescribed translational motion is performed. The transient viscous flow and hydrodynamic forces on the hull are calculated by solving the unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations in overset grid system, and the free surface is captured using volume-of-fluid (VOF) approach. The present numerical results have been compared with previous computational results by Toda and available experimental data respectively. Since the effects of the quaywall and free surface are taken into consideration in the present study, it is found that the agreement is significantly better than that resulting from Toda’s 3D CFD based approach. Then the effects of various standoff distances between the ship and quaywall on the lateral forces are investigated. Meanwhile, the detailed transient flow features around the berthing ship are obtained, which are helpful to understand the interactional effects between the ship and quaywall. The present results may provide helpful guidance for vessels’ safe maneuvering in berthing motion and the design of fender system in the quay.     

基于离散事件的港域航道通过能力仿真试验

由于港口岸线资源紧张,为充分利用水域自然条件,港域航道存在码头回旋水域占用航道现象,船舶靠离泊作业对航道内船舶的通航产生影响,航道通过能力存在折减。通过离散系统仿真理论的应用,模拟码头船舶靠离泊和航道通航过程,以吴淞国际邮轮码头为例,量化分析靠离泊作业对通过能力的影响,为码头岸线规划提供参考。     

超大型船舶旋回调头的实时动态仿真

为了进行船舶操纵方案论证，船舶通航安全评估，应用日本MMG分离建模方法，建立了大型船舶操纵运动的仿真模型。应用幂级数展开理论和三角级数回求方法，给出了电子海图中等量纬度的直接正反解算法和相关的坐标转换算法，给出了所需拖轮数量的实用估算方法，在此基础上，建立了单机版船舶操纵仿真平台并对大型船舶在出船坞旋回调头靠大连新船重工的舾装码头进行实时动态仿真。仿真的结果比较可靠，对船长，驾驶员具有重的参考价值，也为需方在进行决策时提供了科学的依据。     

工程船靠泊过程的力学分析

研究了工程船靠泊过程中在橡胶护舷、靠泊船及停泊船之间传递的靠泊力及能量.在简化分析中,将靠泊船等效为一质量块,护舷结构等效为一非线性弹簧,停泊船舷侧结构等效为一线性弹簧,利用能量法推导了最大靠泊力的估算公式.此外,利用LS-DYNA有限元仿真,研究了三种不同型式的橡胶护舷作用下的靠泊力及吸能分配情况,验证了简化公式的有效性,同时为工程船在靠泊过程中的结构安全分析及护舷的选型提供参考.     

多船会遇自主避碰算法

船舶碰撞事故不仅带来人员和财产的巨大损失，还造成了环境污染、资源浪费等严重后果。因此，船舶自主避碰技术已成为当前船舶与航运领域研究的热点问题。提出了一种满足COLREGs避碰规则的多船会遇自主避碰算法，以经典速度障碍法为基础设计自适应采样避碰轨迹生成算法，并应用运动基元理论对避碰轨迹进行调整，使轨迹满足船舶操纵性约束条件。针对案例三体船模型，完成了多船会遇场景下的船模自主避碰航行试验，验证了所提算法的有效性和实用性，对船舶自主避碰系统的研发具有重要借鉴意义。。     

A GPS-based system for precise shipping guidance and control

This paper discusses the general concept of an automatic berthing system. The research considered the automatic berthing of a large merchant ship. A global positioning system (GPS)-based system, which provides the necessary information on position, velocity, attitude (roll, pitch, and heading), angular velocity, and time, was the principal sensor used. Field tests were conducted on board a hydrographic sounding ship to assess the quality of information obtained from a GPS-based system. The data were processed using the software with which the algorithms developed in this research were implemented. This paper also discusses various aspects concerning a real-time GPS-based system in relation to an automatic berthing system, such as integration of sensors, mathematical models, port infrastructure, and training of crews. Received: October 22, 1999 / Accepted: June 30, 2000     

LNG船舶靠泊对护舷的撞击力试验分析

为确保LNG船舶靠泊安全,对浙江LNG接收站工程进行了船舶靠泊物理模型试验。采用牵引船模及直流力矩电机调节速度的方法,模拟了船舶不同靠泊速度和不同偏心距的靠泊方式。试验表明,船舶靠泊角度为5°时,4个护舷受力不均,1#护舷先受力且受力最大;不同偏心距条件下的撞击力没有明显规律,且相差不大;靠泊速度为0.15 m/s条件下,静水靠泊和顶流靠泊时设计护舷型号可满足要求,横浪1.5m时靠泊则撞击力不满足要求。建议尽量减小靠泊角度,使得护舷受力均匀,以减少靠泊时的撞击力。