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。     

海上无人集群发展及技术体系研究

跨域联合的海上无人集群系统作为改变未来海洋战场的颠覆性技术装备,将加速推动作战模式的衍变,进一步提升作战效能和效费比。本文概括无人机、无人艇和无人潜航器集群的技术现状,总结了海上无人集群系统攻击、反潜、反水雷3种作战应用模式,梳理了跨域无人集群系统的研制关键技术,并对未来无人装备技术体系的发展提出建议。     

水面无人艇艇群技术发展概述

本文分析水面无人艇艇群军事行动需求、国外军事应用的技术现状、与其他无人系统集群技术异同点,重点提出了水面无人艇艇群控制系统总体架构、水面无人艇艇群队形自协同控制技术、基于认知智能的水面无人艇艇群智能决策体系、高度人机协同作业等方面水面无人艇艇群关键技术,对水面无人艇艇群技术研究和发展具有一定借鉴意义。     

水面无人艇集群系统研究

研制开发1套水面无人艇(USV)集群系统,使无人艇能够实现集群化运作。根据系统的功能需求,设计系统的整体架构,将整个系统划分为岸基基站子系统和无人艇子系统。基于模块化设计理念,再将子系统细分成各个模块,分别对各模块进行硬件选型与软件设计,使其有机的结合,建立具备多任务、长航时、高精度导航及较高智能化的集群系统。将系统运送至喻家湖湖区进行各项试验,实验结果表明,该水面无人艇集群系统具有良好的实时性、准确性与可靠性,能够满足集群化运作的要求。该系统的结构还可扩展至无人机、无人水下航行器等,对今后开展无人集群系统的协同化、智能化研究具有参考意义。     

基于几何力学的水面无人艇艇群控制技术

本文介绍美国水面无人艇艇群技术发展现状提出水面无人艇艇群系统发展需求,分析基于几何力学的水面无人艇艇群控制总体架构与方法。该方法具有无坐标选取的奇异性、可利用对称性进行约化降维等优势,有效降低复杂刚体运动系统维度,解决了面向多节点、复杂不确定干扰环境的水面无人艇艇群的复杂非线性系统控制问题,对水面无人艇艇群协同控制技术研究和发展具有一定借鉴和参考意义。     

海上无人系统集群发展现状及关键技术研究进展

海上无人系统集群作战正在从概念走向实装应用。着眼于海上无人系统集群作战任务的需要,总结无人机集群、水面无人艇集群、无人水下机器人集群和跨域无人系统集群的国内外发展现状,分析海上无人系统集群协同作战所需的关键技术,包括通信自组网、协同态势感知、任务分配、航迹规划、集群编队控制和虚拟测试等。系统性归纳海上无人系统集群所需各项技术的主要研究思路、代表性算法及相关算法的研究趋势,期望能够为海上无人系统集群技术研究提供有益的参考和借鉴。     

基于自适应反步滑模的水面无人艇集群控制

[目的]针对多艘欠驱动水面无人艇组成的集群系统控制问题,研究虚拟结构法的控制策略。[方法]首先,将集群控制问题转化成无人艇与虚拟结构之间位姿跟踪误差的镇定问题,通过改变虚拟结构的几何形状,实现集群的队形变换。然后,将集群控制器的设计分为运动学和动力学2个部分,充分考虑不确定干扰,设计欠驱动水面无人艇集群的自适应反步滑模控制器,基于李雅普诺夫理论证明闭环系统的稳定性。最后,采取直、曲线航迹航行,开展集群队形变换等仿真试验。[结果]仿真结果表明,无人艇集群的协同运作效果显著,队形变换流畅,且能够自适应应对各种不确定干扰。[结论]集群系统展现出较强的鲁棒性与灵活性,可为后续实艇试验奠定理论基础。     

水面无人艇自主跟踪系统设计

基于国内的研究主要集中在单艇作业的系统设计及控制算法上,为了使无人艇能够实现自主跟踪领航船,与领航船实现多艇协同作业的功能,从系统体系构架、控制流程等方面分别对控制系统进行设计。试验结果显示:设计的跟踪系统能够实现自主跟踪的功能。     

基于模糊神经网络控制的水面无人艇建模与仿真

水面无人艇(USV)的控制是智能控制与船舶控制的一个重要研究方向.由于船舶运动的复杂性,自动航向控制是水面无人艇研究中的一个关键问题,传统控制方法很难取得好的控制效果.本文对模糊逻辑和神经网络智能控制方法及其在船舶航向控制的运用进行了研究.选取滑行艇作为无人艇艇体,采用喷水推进装置,利用模糊神经网络对艇体的航向进行控制,利用Matlab软件对水面无人艇进行建模,对3种海况干扰无人艇的情况进行实时仿真,仿真结果基本令人满意.     

基于电子海图的无人艇集群区域覆盖路径规划

[目的]针对无人艇（ASV）集群区域覆盖问题,设计一种基于电子海图信息系统（ECDIS）的多无人艇区域覆盖路径规划方法。[方法]首先,通过提取ECDIS中的海陆和水深信息,建立基于栅格化方法的无人艇集群覆盖区域环境模型。其次,提出一种基于轮盘选择法的区域划分方法,解决基于初始位置的区域划分方法区域划分不规则的问题,实现在栅格地图中对无人艇集群覆盖子区域的合理划分。最后,构建一种基于模板法的区域覆盖路径规划方法,解决生成树覆盖方法路径转弯数量较多的问题。[结果]搭建基于ECDIS的无人艇集群人机交互仿真平台,验证所提基于轮盘法和模板法的区域覆盖路径规划方法对优化规划路径转弯数量的有效性。[结论]采用所提基ECDIS的无人艇集群区域覆盖路径规划方法,实现多无人艇对海上目标任务区域的覆盖路径规划。     

基于扩张状态观测器的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制

[目的]针对无人艇(USV)的模型不确定性和未知海洋环境扰动,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的双桨推进无人艇抗干扰目标跟踪控制算法。[方法]在运动学层级,设计基于平行接近制导原理的目标跟踪制导律;在动力学层级,针对模型不确定性和未知环境扰动,设计基于ESO的纵荡速度和艏摇角速度自抗扰控制律,以减小模型不确定性和环境扰动的影响;最后,通过输入状态稳定性定理和级联定理分析所提控制器的稳定性。[结果]实验结果表明,基于所提的自抗扰目标跟踪控制方法能使跟踪船有效地跟踪虚拟目标点。[结论]研究成果可为无人艇在环境扰动下的目标跟踪提供参考。     

Collision-avoidance under COLREGS for unmanned surface vehicles via deep reinforcement learning

ABSTRACT

Collision avoidance for unmanned surface vehicles (USVs) is significant for the fulfillment of autonomous navigation. Generally, classical collision-avoidance algorithms are proposed for relatively simple encounter situation, in this scenario only two USVs are stressed. Furthermore, to generate the rational manoeuvre operations, it is necessary that USVs should abide by International Regulations for Preventing Collision at Sea (COLREGS). However, COLREGS has not paid attention to rules for multi-USV collision-avoidance problem. Furthermore, those collision-avoidance rules in COLREGS have not been quantified for USVs. Following that, this paper utilizes deep reinforcement learning (DRL) algorithm to resolve collision-avoidance for USVs even in complex encounter situations. Within our DRL algorithm, related COLREGS is quantified properly and integrated into the DRL model, and then encounter situation of USVs is formulated as environmental observation value, accordingly a set of decision making is reached by decision-making neural network, and the reward function is designed for updating network parameters iteratively. Consequently, collision avoidance for USVs can be achieved eventually. By employing our DRL algorithm, collision avoidance for USVs under generous complex scenarios are resolved with the aid of corresponding intelligent decision-making operations. Simulation results verify the effectiveness of our DRL algorithm.     

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。     

多无人水面船分布式自适应协调跟踪控制

针对多无人水面船(Unmanned Surface Vessel, USV)协调轨迹跟踪控制问题，基于仅邻近USV可以通信的无向连通通信拓扑，提出分布式自适应协调跟踪控制。使用领航者跟随协调策略，引入虚拟领航者，考虑仅虚拟领航者已知期望轨迹和目标速度的情况，通过获取邻居的实时位置和速度信息，计算每艘USV在团队中的实时期望位置和速度，从而定义聚合跟踪误差。基于聚合跟踪误差建立轨迹跟踪误差系统数学模型，使用自适应项补偿外界环境干扰，提出分布式自适应协调跟踪控制算法。基于Lyapunov稳定性理论，论证聚合跟踪误差收敛，进而得到跟随者相对于期望位置的跟踪误差、速度误差均有界并渐进收敛到零，最后仿真验证理论结果。     

基于领导跟随的船舶航迹控制

无人艇协同编队控制具有重要的军事和商船应用前景。利用多智能体聚集模型,基于leader-follower的目标跟踪,实现了含有模型不确定性与未知海浪流干扰项的多无人艇协同编队控制。采用单隐层神经网络逼近船舶整体未知项和环境干扰,引入一阶滤波器代替反步计算中的微分项,显著减少了计算量。利用时-空解耦方法,各船舶通过交互航迹参数信息,间接实现分散协同编队控制。利用Lyapunov稳定性分析方法,证明闭环系统所有状态和信号收敛于一有界集。通过选择合适参数,可使控制精度误差范围为任意小,仿真结果验证了控制算法的有效性。     

船用阀门遥控系统的关键技术研究

随着全球经济和海洋运输业的发展,船用阀门系统成为大型化、高度自动化船舶中必须配置的设备之一,而船用阀门遥控系统是实现船用阀门控制自动化的关键部件。针对未来船用阀门遥控系统的发展趋势,对与其相关的间接式阀位指示技术和电液集成式阀门遥控等关键技术进行了系统性的研究,分析了其内容组成、结构形式、用途优点和适用场合。     

基于改进的视线导引算法与自抗扰航向控制器的无人艇航迹控制

[目的]无人艇(USV)在复杂环境情况下会出现偏离目标航线的情况,为提高水面无人艇的抗干扰能力及实际航行的稳定性,实现对航迹的准确控制,提出一种改进的无人艇航迹控制方法。[方法]根据导航信号受环境影响的情况,对GPS信号有效和无效2种情况下的航迹控制分别进行分析,在自主可控平台上设计并实现了基于模糊控制可变船长比的视线导引算法(LOS)和自抗扰航向控制器(ADRC)相结合的航迹控制方法,并开展了双桨双舵无人艇湖上试验。[结果]仿真结果表明:该方法可满足航迹控制的要求,转弯后航向能够快速保持稳定,无频繁摆舵现象,且该方法能够完成真实环境下的航迹控制,航迹贴线误差均值约为0.1 m,方差约为0.03。[结论]湖上试验结果验证了该算法在实际工程应用中的可行性和有效性。     

船用起重机减摇控制系统设计与试验研究

随着航运业发展,追求效率的今天,船舶起重机越来越广泛的用于船与船、船与岸之间的货物装卸,成为深远海工程作业不可或缺的装备之一。由于船舶受到风、浪、流、涌等海洋环境载荷的影响,起重机的吊重会出现较大的摇晃,进而影响起重机的作业效率和安全性,严重时还将会导致严重的安全事故和环境污染,造成生命财产损失。因此,针对起重机吊重摇摆的抑制问题,设计一种船舶起重机减摇系统,减小起重机作业过程中吊重产生的摆动,对提升起重机的作业效率及安全性有重要的意义。本文针对带折叠减摇臂式船用减摇起重机装置提出了三种控制方案,并通过实验验证其综合减摇效果达到60%以上,充分验证了控制方案的正确性与可行性。     

船用甲板起重机噪声分析及控制措施

文章以船舶噪声要求日趋严格为背景,通过梳理船用甲板起重机噪声规范和标准要求,指出未来船用甲板起重机将受到规范或标准限制。在此基础上,以电动液压船用甲板起重机为目标,分析其机械和液压噪声来源。最后结合相关噪声控制原则和实施途径,提出了船用甲板起重机噪声控制措施。