基于航向控制系统的船舶动态避碰机理

为探索航速矢量变化与船舶避碰之间的动态变化规律（避碰机理），研究了结合船舶领域和速度障碍等方法的静态避碰机理，确定了不考虑船舶改向运动过程与周围环境变化前提下，本船可避让所有物标的航速矢量区间；建立了基于模糊自适应比例积分微分（PID）控制和船舶运动方程的航向控制系统，再现船舶改向过程中的航速矢量非线性变化；基于静态避碰机理和航向控制系统研究了船舶动态避碰机理，求解了符合船舶操纵运动过程的动态避碰改向区间. 研究结果表明，在开阔水域随机设置的多物标环境中，可得到符合航速矢量非线性变化的动态避碰改向区间集合 [?90°，?72°]、[31°，47°]、[62°，79°]，受动态船舶主要影响形成改向范围为（?72°，31°）、（79°，90°] 的碰撞航向区间，符合船舶操纵运动对改向避碰的影响规律，可为实现船舶避碰辅助决策、自动避碰和动态避碰路径规划提供基础理论和方法.      

珠江口水域船舶避碰网的构想

针对船舶在珠江口水域航行时面临的复杂环境,提出以建立珠江口水域船舶避碰网来监控船舶安全航行的构想.探讨了建立珠江口水域船舶避碰网的重要性和可行性,提出了珠江口水域避碰网的体系结构,讨论了避碰网中存在的6种通信关系.     

一体式车辆避撞轨迹规划与跟踪控制

为提升复杂交通环境中智能车辆的避撞能力,将路径规划、速度规划及跟踪控制整合为一个优化问题,提出一种基于模型预测控制(MPC)的一体式车辆避撞轨迹规划和跟踪控制方法。首先,分析实际交通环境中的避撞场景,将智能车辆的避撞控制问题转化为多约束优化问题;其次, 搭建7DOF(七自由度)车辆动力学模型和复合滑移工况的UniTire轮胎模型设计MPC控制器;再次,针对变速控制问题中传统基于时域预测模型的MPC控制方法无法在预测时域中实现车辆空间和位姿约束的问题,设计了基于空间域预测模型的MPC控制器;最后,基于Matlab和CarSim联合仿真平台设计了不同避撞场景验证所提方法,并与现有基于恒速假设的一体式避撞控制方法进行对比。仿真结果表明：所提方法能够充分发挥车辆的机动性能,解决现有一体式控制方法在 复杂环境中避撞失败的问题,并保证避撞过程稳定和轨迹平滑。     

网联车辆编队的鲁棒模型预测控制方法

为研究一类带有结构不确定干扰的网联车辆编队控制问题,考虑结构扰动服从盒式不确定集约束情况,提出一种基于鲁棒对等变换的模型预测编队控制方法。首先,基于车辆运动学状态方程,对传统车辆编队控制模型进行描述;其次,在状态方程中引入仿射结构不确定矩阵,构建最小最大化范式下的网联车辆编队控制模型;然后,在盒式不确定集下,基于鲁棒对等理论将该模型转化为计算上易于处理的上图优化模型;最后,采用序列二次规划算法获得最优编队控制方案,并通过仿真实验将该控制方案与传统车辆编队控制方案进行对比,以此验证模型的有效性。 结果表明：本文提出的最优编队控制方法能够抵御编队系统结构不确定干扰,在实现稳定编队目标的同时保障车辆的编队安全性。     

基于图像信息检测的船-桥智能避碰系统研究

将避碰决策系统分为船舶运动检测、视觉几何模型和船舶运动态势计算、碰撞预报及预控3部分.针对图像质量问题采取图像预处理增强、中值滤波、直方图均衡处理方法.采用相位相关算法基于背景模态模式静态空间信息记录图像信息,补偿图像抖动.基于视觉几何模型计算船舶运动态势计算船舶目标空间坐标位置、船舶型尺度、船速、船首向等.基于实时运动状态信息和桥区船舶运动态势预报碰撞危险以及避碰决策模式.引入避碰等级术语通过计算桥区船舶操纵避碰相关参数,进行避碰早期预警并得出避碰操纵决策方案.形成合理化的船-桥避碰决策系统,以达到船-桥避碰预警预控的智能效果.     

狭水道追越局面下的船舶避碰建模

为了解决在狭窄水域船舶追越情况下的避碰问题,提出了一种狭水道追越局面下的船舶转向避碰模型.在航道规划设计规范的基础上对狭水道四元船舶领域进行重塑,构建符合航道内航行船舶最小船舶领域模型,进而确定船舶追越时的安全通过距离;其后,在船舶操纵运动数学模型的基础上,结合船舶转向避碰几何模型确定避碰行动目标,即最近会遇距离(DCPA)和最近会遇时间(TCPA),使得上述两个避碰行动指标满足避碰实际(DCPA值大于等于Ship Domain,TCPA值尽可能大).仿真实验表明采用该模型进行追越避碰时,追越船追越运动轨迹符合航行实际,与被追越船保持的最小横向距离为80 m,与浅水区保持的最小横向距离为55 m.     

能见度不良两船互见后的避碰行动分析

针对两船在能见度不良水域中航行、从不在互见接近到互见后的避碰过程,简要分析了船舶在遵守避碰规则上可能存在的争议,给出了英美海事法院对此所持的两种不同的观点,最后讨论了两船在能见度不良水域中航行接近到互见后应遵守的避碰规则和避碰行动．     

灰色数据挖掘及其在船舶避碰中的应用

提出利用知识发现技术，寻求船舶避碰规律，解决船舶避碰难题的建议，基于灰色系统理论提出了船舶碰撞挖掘的灰色动态建模方案和灰关联方案，并给出了应用实例。     

特定水域避让操船经验的获取与验证

针对镇扬汽渡水域及汽渡轮的操纵特点,采用专家面谈与问卷调查相结合的方式,形成镇扬汽渡水域汽渡轮避让操船决策库;运用相对运动几何分析,从理论上证明了避让操船决策库的合理性;借助"镇扬汽渡轮航行避碰智能预警远程客户端"观测汽渡轮在典型会遇态势下的实际避让操船行为,验证决策库与汽渡轮船长实际操船行为的一致性.研究成果为汽渡轮避碰辅助决策算法研究提供专家避让操船的经验知识,也为特定水域船舶避碰专家经验知识的获取提供新思路.     

带有干扰观测器的欠驱动船舶路径跟踪非线性模型预测控制

针对欠驱动船舶提出了一种非线性路径跟踪控制器,使其能够在风、浪、流等环境干扰下驶入预定的航行路径.欠驱动船舶以恒定前进速度航行,并且其合速度与参考轨迹相切.该控制器的设计使用了解析模型预测控制和干扰观测器技术,其中非线性观测器用来估计环境干扰.在最优路径跟踪控制器的作用下,路径跟踪误差渐近收敛到零.数值仿真结果验证了该控制器的有效性.     

内河船舶避碰路径优化研究

内河船舶碰撞事故导致重大生命及财产损失，已经引起人们的高度关注．提出一种内河船舶自动避碰路径优化的研究方法，建立了内河船舶操纵运动数学模型，将遗传算法运用到内河船舶避碰路径选优中，提出内河船舶避碰路径优化准则，并构建一种考虑内河航道中运动船舶及障碍物的适应度函数．优化结果表明了本方法的可行性。     

欠驱动船舶非线性滑模靠泊控制器

为了准确控制典型靠泊操纵,分析了带有加速度非完整约束的欠驱动水面船舶的自动靠泊问题,设计了动态输出反馈控制器。利用递归分解迭代设计方法,在扩展状态空间定义了非线性滑模,将控制系统的轨迹设计与跟踪问题转化为标量零阶系统的镇定控制问题,结合增量反馈技术,无需对不确定模型参数以及风、流干扰进行估计,完成典型靠泊操纵的自动控制。仿真结果表明:控制器对干扰变化不敏感,具有强的鲁棒性,且船舶平面运动轨迹设计过程简单,可以仅通过一个参数进行轨迹调节。     

开阔水域多物标动态自适应智能航行方法

考虑船舶操纵特性、《1972年国际海上避碰规则》和良好船艺要求,提出了动态自适应目标船不协调避碰行动的开阔水域智能航行方法;将物标分类、建模并构建数字孪生交通环境,结合航向控制方法、操纵运动和复航模型构建了自动航行模型,推演了船舶非线性操纵运动;基于自动航行模型量化解析了《规则》要求,探究动态避碰机理,建立了可行航向求取方法;在多目标环境中,提出了目标船机动判别方法,研究了《规则》约束下构成自主航行方案的改向时机、幅度和复航时机等要素求取方法。仿真结果表明:依靠信息秒级更新的滚动计算,提出的智能航行方法可自适应剩余误差和目标船随机运动;提出的智能航行方法能将可行航向区间和改向幅度精确到1°;将程序运行和复航时机计算步长设置为1、10 s,设置多类静态物标和6艘保向保速目标船,在640、1 053、2 561和3 489 s,本船进行右转9°、复航、保向保速和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点;设置目标船在300 s采取不协调转向避让行动,本船在980、2 790、3 622、5 470 s时进行右转9°、左转12°、右转17°和复航等操纵可让请所有目标并自主航行至终点。可见,任意初始状态下的船舶均可沿计划航线自动航行至终点,提出的方法能满足多个、多类动静态物标共存的真实开阔水域环境中的智能航行需要。      

桥墩主动防船撞系统的研究

为确保桥梁水域桥墩安全与船舶通航安全,通过对长江水域船舶通航环境与水域安全现状以及船撞桥事故统计分析,提出开展桥墩主动防船撞系统研究的必要性。利用船舶操纵理论与船间水动力干扰相关理论,建立了船间临界失控水动力干扰模型,并据此建立了桥墩主动防船撞系统,将桥墩由被动结构防船撞转变为非结构主动防船撞,并在此基础上开发出了桥墩主动防船撞系统原型。创新之处在于,首次利用船舶操纵理论与船间水动力干扰相关理论,建立了船间临界失控水动力干扰模型,首次将桥墩的被动防撞转变为桥墩主动防撞,并开发出桥墩主动防船撞系统原型。     

Deliberative collision avoidance for unmanned surface vehicle based on the directional weight

The purpose of this study is to realize the intelligent deliberative obstacle avoidance for unmanned surface vehicle (USV), based on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea called COLREGS. Firstly, a three-level system architecture is designed for the ship intelligent collision avoidance system. Secondly, an intelligent collision avoidance algorithm is presented based on the calculation of motion parameters and the rules of COLREGS. Thirdly, according to COLREGS, the marine environment is modeled from the electronic chart data and radar information, and a deliberative collision avoidance algorithm is written. Finally, the deliberative collision avoidance simulation is carried out for the USV. The feasibility and reliability of intelligent collision avoidance algorithm are verified by the vivid simulation results.     

基于电子海图的船舶避碰技术的研究

通过对智能避碰过程中本船及目标船的相关参数、合适的选取船舶碰撞危险度的评价集以及各个因素对碰撞危险度的影响权重的研究,根据模糊理论建立船舶碰撞危险度评价模型.在评价模型的基础上结合简单的船舶运动模型,通过搜索出能使本船碰撞危险度最低的行动来建立避碰动作决策模型.采用Visual Studio 2008开发环境,在电子海图中对提出的模型进行实验仿真,实验结果验证其模型的正确性和合理性.     

具有时空约束的无人车集群构型变换方法

针对具有时空约束的无人车集群构型变换问题，采用图论方法描述集群协同关系，将集群构型变换问题分解为最小变换单元的队形变换问题. 为满足队形变换的空间约束，运用基于模型的轨迹预测方法为无人车规划提供满足起点和目标点约束的行驶路径，运用曲线插值方法规划平滑且满足时间约束的速度曲线，根据碰撞检测结果提出速度规划的边界条件. 仿真和实车实验证明了构型变换方法的有效性.