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。     

船舶护舷结构抗碰撞动态模拟北大核心CSCD

[目的]旨在研究船舶靠泊时“船体-护舷-码头”的动态耦合作用。[方法]采用非线性有限元方法,建立舷侧与护舷结构有限元模型,模拟船舶靠泊过程中速度、应力、能量的动态演化过程。[结果]结果表明:护舷与码头接触最紧密时,船舶速度降为零,护舷结构动态变形和相互作用力最大;船舶靠泊时,护舷呈现出较强的吸能能力,约占船舶初始总动能的70%,船体结构得到很好的保护。[结论]进一步分析表明:随着初始靠泊速度的提高,护舷效能呈降低趋势;所研究目标船的极限靠泊速度为2.5 kn,推荐安全靠泊速度为2.0 kn,研究结果可为船舶靠泊速度限制和船体结构吸能设计提供参考。     

基于多领域建模的船舶凝给水系统虚实映射方法北大核心CSCD

[目的]传统的建模分析方法难以对船舶凝给水系统进行有效的在线监测和状态评估,因此,有必要针对船舶凝给水系统全寿期开展精准有效的虚实映射方法研究。[方法]在多领域建模的基础上,将机理模型与多源数据相结合,运用多领域物理建模语言Modelica与MWorks系统仿真平台构建凝给水系统的数字孪生模型,融合在线及离线数据、数值计算、仿真分析等方法,评估船舶凝给水系统运行状态特性。[结果]所建立的模型可对凝给水系统进行全工况的动态特性分析,静态分析误差小于2%,动态响应趋势与实际运行一致。[结论]所提方法实现了凝给水系统物理实体与数字孪生模型的虚实映射,可以为船舶热力设备健康管理奠定基础。     

一种基于扩展状态观测器的智能船舶Nomoto模型参数辨识方法北大核心CSCD

[目的]为了支持制导、导航、控制等船舶智能化技术的测试验证平台的搭建,利用系统辨识技术得到高精度的智能船舶野本(Nomoto)运动模型参数。[方法]充分结合扩展状态观测器(ESO)以及鲁棒加权最小二乘支持向量回归(RW-LSSVR)算法的优势,提出一种高效低成本的混合参数辨识方法。为解决模型参数辨识中无法直接有效获取某些状态量的问题,构建了基于ESO的状态估计方法。基于估计方法与直接测量的船舶运动状态量,采用具有较强抗异常值干扰的RW-LSSVR对智能船舶二阶线性Nomoto运动模型参数进行辨识。以已知模型的两艘船舶为测验对象,对所提参数估计与辨识方法进行综合测验。[结果]在利用较少传感器的情况下,通过ESO可较精确地估计出非直接测量的船舶运动状态量,并且利用RW-LSSVR辨识得到的参数值十分接近标准值。[结论]利用所提方法获得的估计状态可用于参数辨识,并且辨识模型具有较好的泛化性。     

Finite-time ship formation control based on extended state observer北大核心CSCD

[目的]为了解决大多数船舶编队控制算法控制周期长和时效性差的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的有限时间控制策略。[方法]采用一种非线性终端滑模算法,通过对控制律分区域设计,克服传统终端滑模存在的奇异性问题;将非线性终端滑模与图论结合,实现有限时间的船舶编队控制;利用扩张状态观测器观测并补偿船舶模型中的不确定性及外界的干扰,以保证船舶编队控制的精确性;运用Lyapunov理论验证船舶编队控制律的稳定性。[结果]仿真结果表明,采用所提控制策略使整个编队系统误差在5 s左右趋近于0,从而实现了稳定。[结论]该控制策略能有效控制船舶编队,且控制速度快、时效性好。     

基于重叠网格的船模停船操纵CFD数值模拟

[目的]随着国际航运业的迅速发展,港口和航道变得日益拥堵,研究大型船舶的停船性能对于航行安全至关重要。[方法]使用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,以及船舶六自由度运动和带桨多级物体运动求解模块,采用重叠网格技术,对带桨KVLCC2船模进行紧急停船操纵数值模拟。首先,控制螺旋桨转速,使船模达到稳定自航状态;然后,在某时刻控制螺旋桨倒转,以达到紧急停船操纵的目的。通过对全粘性流场的整体求解,给出船模自航以及停船操纵过程中的运动状态和细致流场信息,分析倒车效应产生的原因,并将数值预报结果与相关试验数据进行对比验证。[结果]结果显示,数值预报结果与相关试验数据间误差在5%以内,证明采用naoe-FOAM-SJTU求解器对船舶倒车停船操纵问题进行数值预报是可靠的。[结论]所采用的方法可针对停船问题为船舶前期设计和操纵方式的选择提供参考。     

动力定位船舶模糊解耦定速航行控制算法

[目的]在海洋石油开采、湖泊水质监测等领域,为了实现船舶自主定位及自主航行,需对动力定位船舶的航速予以控制。[方法]建立船舶三自由度(3-DOF)运动模型,提出基于模糊解耦控制的船舶定速航行控制算法。针对被控对象的建模误差,分别设计纵荡、横荡和艏摇回路模糊控制器。针对横荡与艏摇回路变量之间的耦合问题,采用前馈补偿解耦环节来消除控制量之间的相互影响。[结果]定速航行控制仿真平台的实验结果表明,该模糊解耦控制算法的动态性能好、稳态精度高,且具有一定的鲁棒性。[结论]研究成果可为船舶定速航行的精确控制提供参考。     

基于NARX神经网络的船舶升沉运动实时预测方法

[目的]对船舶升沉运动进行预测有助于增强升沉补偿器的补偿效果,减少海浪对作业设备的干扰。为提高升沉预测模型的精度和稳定性,提出一种船舶升沉运动实时预测方法。[方法]基于带外源输入的非线性自回归(NARX)神经网络建立单海况预测模型,利用船舶系统仿真器获取母船升沉运动仿真数据,将NARX模型与卡尔曼(Kalman)模型、普通反向传播(BP)模型的预测结果进行对比。在此基础上,对单海况预测模型进行改进,建立多海况预测模型。[结果]多海况预测模型预测精度较高,且稳定性优于单海况模型,在2～5级海况下的最大预测误差均小于10-4量级。[结论]仿真结果表明,NARX神经网络对复杂海浪环境具有良好的适应性,它的预测速度和精度均优于BP神经网络和传统滤波方法,在高海况下仍可保持高预测精度。     

基于扩张状态观测器的滑模预测串级舵减摇控制

针对在定权重模型预测舵减摇控制下的欠驱动船舶转向响应较慢的问题,提出一种基于模糊扩张状态观测器（FESO）的滑模预测串级舵减摇控制方法。建立线性三自由度欠驱动船舶运动模型,设计FESO来估计船舶状态和外部扰动,设计离散自适应滑模控制（DASMC）作为串级外环航向控制,以外环控制作为预期控制律,设计模型预测控制（MPC）作为串级内环减摇控制。通过分析船舶的航向误差和航行情况,设计模糊规则在不同航行情况下改变MPC目标函数的状态权重和控制输入权重,理论证明了所设计观测器的收敛性和控制方法的闭环稳定性。通过对一艘多用途海军舰艇进行数值仿真分析,在航向改变的情况下,所设计的控制器减摇率在保证减摇效果的同时,相比固定权重线性MPC在30°的转向的响应时间更少,证明了所提方法能有效提升欠驱动船舶减摇时对转向的响应。     

自主船舶与有人驾驶船舶动态博弈避碰决策

[目的]为实现船舶的高效避碰与安全航行,针对自主船舶与有人驾驶船舶混合航行环境下的交互避碰问题展开研究,提出一种多智能体交互的船舶动态博弈避碰决策方法。[方法]依据驾驶实践,理解并分析混行环境下的船舶避碰问题,基于《国际海上避碰规则》量化船舶会遇态势及碰撞危险,引入动态博弈理论,将存在碰撞危险的船舶个体建模为博弈中具有独立思想的参与者,并以船舶的航向改变量为博弈策略,在船舶安全性收益、社会性收益及经济性收益约束下求解船舶的最优行动序列,以及将船舶驾驶员风格的差异化引入仿真实验中以验证避碰决策的有效性。[结果]结果显示,所提方法能够在自主船舶与有人驾驶船舶混行场景下实现多船的安全会遇;各船在面对不同驾驶风格的目标船舶时均能类人地调整自身的行为策略,从而实现安全避让。[结论]所做研究可为自主船舶及有人驾驶船舶的避碰决策提供参考。     

Energy efficiency optimization analysis of fuel cell/lithium battery hybrid ship based on whale optimization algorithm北大核心CSCD

[目的]为提升船舶的能源利用率,对多因素影响下的燃料电池/锂电池混合动力船舶能效优化方法进行分析。[方法]基于Matlab/Simulink仿真建模软件,建立对象船舶的能效仿真模型,研究通航环境要素对船舶能效的影响。考虑动力源特性和船舶功率需求,提出基于模糊逻辑的功率分配策略,以优化系统能量流动。然后在此基础上,以系统总能耗最低为优化目标,建立考虑多因素的船舶航速非线性优化模型,采用鲸鱼优化算法开展优化模型动态寻优,并进行不同航行方法和航行时间约束下的能效优化分析。[结果]结果显示,在总航行时间不变的情况下,采用所提的考虑多因素的船舶能效优化方法可以降低船舶5.04%的总能耗和13.16%的燃料电池氢气总消耗。[结论]所述方法对船舶节能减排具有积极的作用,同时对提高船舶续航力和经济性具有重要意义。     

靠泊位置受限的连续泊位-岸桥同步分配模型

提出了一个连续泊位-岸桥同步分配的混合整数线性规划(MILP)模型,可以限制不同类型船舶的靠泊位置.同时,模型还考虑了岸桥干扰和靠泊位置偏离导致装卸效率损失的因素,发现可对船舶装卸时分配的岸桥数进行动态调整.利用现有文献的基准测试实例对模型进行测试,比较靠泊位置受限和不受限情况下对服务成本的影响.此外,还通过实验测试了岸桥干扰和靠泊位置偏离对总服务成本的影响,发现服务成本对这两个因素的变化非常敏感,且岸桥干扰因素的影响更大.     

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。     

航道碎冰条件下极地船舶冰压力分布特性

[目的]为研究船舶与碎冰作用过程中船体冰压力的分布情况,对航道碎冰条件下的极地船舶进行数值模拟分析。[方法]采用离散元法（DEM）对船舶与碎冰进行建模,假设碎冰是由理想的二维圆盘构成,并考虑海流对碎冰单元的浮力、拖曳力及附加质量的影响;利用MT Uikku号冰水池模型试验结果对数值模型进行验证,对比分析不同航速和冰况对船体区域冰压力的影响。[结果]结果显示,当船舶在航道碎冰中运动时,冰载荷主要集中在船首;船首区域的冰压力随冰厚、航速和碎冰密集度的增加而增大,其中冰厚是影响冰压力幅值最大的因素;碎冰区航行船舶的首部区域冰压力影响最大,船首过渡区冰压力影响显著。[结论]所提数值分析方法可为极地船舶安全航行和结构设计提供一定的参考。     

未知环境中无人驾驶船舶智能避碰决策方法

[目的]为了实现无人驾驶船舶在未知环境下的智能避障功能,[方法]首先,建立一种基于深度强化学习(DRL)技术的无人驾驶船舶智能避碰决策模型,分析无人驾驶船舶智能避碰决策面临的问题,提出智能避碰决策的设计准则。然后,在此基础上,建立基于Markov决策方法(MDP)的智能避碰决策模型,通过值函数求解决策模型中的最优策略,使无人驾驶船舶状态对行为映射中的回报最大,并专门设计由接近目标、偏离航线和安全性组成的激励函数。最后,分别在静态、动态障碍环境下进行仿真实验。[结果]结果表明,该智能决策方法可以有效避让障碍物,保障无人驾驶船舶在未知水域中的航行安全,[结论]所提方法可为无人驾驶船舶的自主航行提供理论参考。     

带漂角和输入饱和的水面船舶航向控制

[目的]为处理水面船舶航向控制过程中受到的非零漂角和输入饱和影响,提出一种基于反步法的航向控制方法。[方法]首先,利用相对速度求出实际漂角,再通过漂角对航向角误差进行修正;然后,采用一种预滤波方法减小航向改变时对航速变化的影响,同时引入双曲正切函数和Nussbaum函数逼近输入约束,结合自适应律对逼近误差和艏摇方向上的扰动进行估计;最后,借助指令滤波器简化反推过程,并通过Lyapunov理论证明控制系统的稳定性。[结果]仿真结果表明,所提控制器有效减小了水面船舶的航向输出误差,且能始终保持较小的控制输入力矩。[结论]研究成果可为水面船舶航向控制设计提供参考。     

基于Rankine源和Kelvin源格林函数求解兴波阻力的复合算法

[目的]运用边界元法计算船舶兴波阻力基本上是先求解船体附近的速度分布,然后采用伯努利方程进行压力积分,其计算过程复杂,且误差非常大。[方法]提出一种可快速计算船舶兴波阻力的复合算法,利用Rankine源格林函数求解船体表面源强,结合Lagally定理进行受力计算,并基于Kelvin源格林函数求解船舶兴波阻力。运用该算法对Wigley船的兴波阻力进行计算。[结果]计算结果表明,所用算法相较于运用线性兴波阻力中的薄船理论得到的结果精度更高,而且与完全使用Kelvin源格林函数的算法相比效率也更高。[结论]所用算法可在计算兴波阻力时作为精度与效率之间的一种折中方法。     

带有状态/输入量化的无人艇航向跟踪控制

[目的]针对水面无人艇（USV）的海上通信受限的问题,提出一种带有状态/输入量化的USV航向跟踪控制方法。[方法]基于反步法设计系统控制律,结合动态面技术降低虚拟控制律的计算量膨胀问题。对于控制系统中存在的不确定项及外界干扰,利用扩张状态观测器（ESO）进行估计。采用均匀量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化,且量化后的状态反馈信息仅用于跟踪控制。利用量化状态递归设计基于ESO的USV航向控制器,证明闭环控制系统中量化变量和非量化变量间误差的有界性。[结果]基于李雅普诺夫稳定性理论,提出了量化误差考量及闭环系统稳定性判定方法,严格证明了所设计的带有状态量化和输入量化的USV航向跟踪控制系统的稳定性,仿真实验验证了该控制策略的有效性。[结论]结果表明,所提方法可为USV航向跟踪控制提供借鉴。     

Influence of initial heeling angle on ship roll motion response北大核心CSCD

[目的]系统地研究初始横倾角对随机横浪下船舶横摇运动响应的影响。[方法]以路径积分法为基础,通过数值求解控制横摇运动微分方程概率属性的Fokker-Planck方程,得到横摇运动响应的概率分布。[结果]结果显示,初始横倾角对船舶横摇运动响应谱的影响有限,但对横摇角概率分布以及横摇运动响应极值分布的影响十分明显,且会造成船舶安全性的显著恶化。[结论]路径积分法可作为研究随机海浪下船舶横摇运动特性的有效数值方法。     

面向船舶智能航行测试的变稳船控制系统设计北大核心CSCD

[目的]智能航行控制系统作为智能船舶的大脑和中枢,其控制性能的好坏直接决定船舶航行的安全性和经济性,因此需要对船舶智能航行控制系统进行验证。面向智能船舶智能航行控制系统的验证问题,提出一种通用型验证平台——变稳船。[方法]首先,基于模型跟随原理提出一种变稳船系统架构,分析智能船舶三自由度上的运动特性,然后根据三自由度变稳目标定义位置变稳误差,采用滑模控制技术设计变稳控制器,最后,在Matlab软件中进行仿真验证。[结果]结果显示,提出的变稳控制方法能够有效跟踪模拟待模拟船,实现变稳性能。[结论]所做研究可为智能航行控制系统的验证提供新的思路。