自主航行船舶控制系统架构与关键技术

随着大数据、物联网和人工智能技术的发展,近几年自主航行船舶(无人船)研究成为行业研究的热点.MUNIN项目是最早研究无人商船的项目[1-3],该项目研究并验证了自主航行商船的概念和可行性.MUNIN项目引起了多方对自主航行船舶的广泛关注.挪威建立了世界上第一个自主航行船舶测试区,成立了自主航行船舶论坛NFAS[4].Rolls-Royce公司公布了由其引领的"高级无人驾驶船舶应用开发计划"(AAWA)项目[5-6]研究无人船舶,主要研究感知系统(Intelligence System),近期在挪威开展了自主航行船舶的测试[7].Kongsberg公司已经完成了自主航行船舶的水池测试,并且与氮肥料厂商合作开发一条自主航行船Yara Birkeland[8],并与挪威航运巨头威尔森集团成立了自主航行船公司Massterly[9].     

智能航保体系构建初探

<正>《交通强国建设纲要》指出要构建互联互通、面向全球的交通网络,《智能航运发展指导意见》提出加快推进智能航运技术创新和船舶智能航保体系建设。国际上,IMO研究制定相关公约以规范解决水面自主无人船安全环保等问题,多国政府明确表态支持无人船发展和应用;国内,无人船及其智能航行研究正如火如荼,中国船级社率先发布了智能船舶检验评估指南等。可以预见,随着智能技术发展,智能航运是当今全球航运发展的前沿趋势,是交通强国建设的重点领域。作为智能航运基础性先导性工作,如何构建适应并满足智能航运发展要求的智能航保体系是我们亟需研究并加快推进的一项重要工作。     

内河无人船局部路径规划和循迹控制

提出了内河无人船在水流中的局部路径规划算法,并在直线Line of Sight算法基础上设计了一般曲线路径的LOS循迹控制算法。将此算法结合完成了内河无人船的航行试验,实现了在落潮、涨潮等不同水流条件下的无人自主航行,验证了所提算法的有效性和实用性,对内河无人船的应用研究具有借鉴意义。     

基于PLC的小型无人船控制系统的研制

通过PLC控制器、智能传感、无线传输等技术集成和应用开发,设计一套无人船智能控制方案,并通过自行研制的样品船进行了航行操控试验,验证了方案的可行性。利用上位机组态软件强大的运算和数据库处理能力,采集、记录、检测数据与提供查询等功能,实现无人船的远程遥控、自主航行运算及特殊环境作业。     

无人船在港口水域海事监管中的应用探讨

近年来,随着与船舶自主航行相关的信息技术、人工智能技术水平的提高,无人船舶行业取得了长足的发展,其在海上安保、环境监测等领域应用也越来越成熟。为推动无人船在海事管理方面的应用研究,破解港口水域海事监管手段不足的瓶颈问题,文中在分析港口水域海事监管特点和无人船系统建设条件的基础上,定量研究了无人船在港口水域海事监管应用面临的性能指标确定、船型平台选择、载荷设备搭配、运行管理体系建设等方面的具体问题,提出了一种港口水域海事监管无人船系统的应用解决方案。     

Obstacle avoidance of unmanned ship swarm based on virtual navigator and improved Hooke's law北大核心CSCD

[目的]针对无人船集群规避障碍物的问题,提出一种基于虚拟领航者和改进胡克定律的弹性集群编队控制方法。[方法]首先,根据障碍物的长和宽得到其外接椭圆,按照长宽比向外扩展出虚拟碰障区、避障反应区、自由航行区,实现水面避障物模型的简化;其次,基于虚拟领航者和改进胡克定律,对编队各成员之间、各成员虚拟领航者之间的相对距离和速度予以约束,采用坐标形式设置编队队形,构建弹性编队模型,并基于障碍物的环形斥力场来实现单无人船的避障,以及在弹性集群编队的组织下实现无人船集群的避障;然后,通过优化处理无人船的航行过程,消除编队及避障过程中的“徘徊”和“振荡”等现象,使各无人船的运动更加平滑;最后,运用Matlab软件对由4艘无人船组成的集群编队进行仿真实验。[结果]实验结果表明,编队可成功绕过设置的所有障碍物,验证了所提方法的有效性和可行性。[结论]该方法可实现无人船集群对水面障碍物的规避,具备在一定复杂环境下的通过能力,可为无人船集群避障的应用及研究提供参考。     

基于物联网技术的无人船智能航行控制系统设计与实现

随着智能时代的来临,船舶的智能化、无人化逐渐成为工业界和学术界的关注重点,无人船(Unmanned Surface Vessel,USV)也随之应运而生。基于物联网技术,设计并实现了无人船智能航行控制的演示验证系统,该系统以STM32为主控核心;采用窄带物联网NB-Io T技术和AIS构建船-岸通信链路;采用多种传感器实现船舶自身和环境信息的智能感知;提出一种基于响应式禁忌搜索的PID参数自适应整定航迹控制算法,实现无人船的路径跟随功能;基于Android平台开发岸基支持中心显控软件,实现无人船远程操控、监测和数据共享功能。最后通过真实环境试验验证了系统设计的可行性和航迹控制算法的有效性。     

基于混合蚁群算法的无人船航行路径自主规划

路径规划是无人船自主导航的核心问题。由于无人船当前位置以及目标位置的确定受到障碍物影响,最佳航行路径的获取难度较大。为此,提出基于混合蚁群算法的无人船航行路径自主规划方法。采用栅格法构建无人船工作环境模型,由上至下、由左至右的对栅格完成编号处理,划分安全区域与障碍物区域。构建无人船航行路径自主规划数学模型,设定地形与威胁、航程上限以及路径平滑度等约束条件。针对蚁群算法初始搜索效率差等问题,将其与粒子群算法相结合,提出混合蚁群算法。利用该算法求解无人船航行路径自主规划数学模型。实验结果显示,研究方法具有较高的路径规划准确性,路径长度、平均能耗及路径规划时间指标均较优。     

智能船舶主要技术分析与小型无人船研发

中国船舶航运事业正面临时代更迭以及新技术快速发展的严峻挑战。该文在智能船舶与智能机舱的涵义界定进行比较研究的基础上,分析了大数据挖掘处理技术、船机信息感知技术、无人船技术、智能机舱技术等主要智能船舶机电应用技术的特点和应用情况。小型无人船"芙蓉号"的试验研发,进行了方案设计、功能与硬件设计、算法优化和实船试验等方面的工作,对无人船技术研发有创新引领和经验积累作用。     

智能搜救艇航行安全分析

智能无人搜救艇为恶劣海况下搜救重要装备,解决了有人驾驶的搜救船在高海况下难于驾控及无法正常作业的难题。由于在高海况下进行搜救作业,则搜救艇在航行中的安全性显得尤为重要。文章着重对在高海况下,搜救艇的航行安全作分析研究,可为类似船舶在航行安全方面的研究提供参考。     

基于非线性模型预测控制的无人船航迹跟踪控制方法

为了实现复杂场景下无人船（USV）的实时、高精度、抗干扰运动控制,以欠驱动双推进差速无人船作为研究对象,基于三自由度无人船水动力模型设计非线性模型预测航迹跟踪控制器（NMPC）,在考虑控制约束与状态约束的情况下,根据快速稳定航行的目标设计优化范式,引入多重打靶算法求解思想提升控制器求解速度;根据无人船航行时风、浪、流等环境干扰的特点,设计一种适用于复杂场景无人船控制的非线性干扰观测器（NDO）,根据干扰观测结果对控制模型进行在线补偿,并通过仿真试验,验证了所提控制算法的精确性、实时性和抗干扰能力。     

全球智能船舶及规范发展动向

<正>在智能船舶的定义和规范方面,我国走在了世界前列,并且体系更为全面。近年来,无人交通工具创新浪潮风起云涌。在船舶领域,也出现了对无人驾驶船舶相关技术的研发热潮。由于船舶无人化不仅要求实现无人航行,还需要实现机舱无人运维、货物无人监管、无人维修等一系列问题,无法一蹴而就,但其所代表的船舶智能化发展     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法

[目的]为实现沿海无人驾驶船舶自主航行,充分考虑无人驾驶船舶智能避碰决策的合理性和实时性后,提出并建立一种基于驾驶实践的无人船智能避碰决策方法.[方法]首先,以本体论为基础,设计无人驾驶船舶航行态势本体概念模型,并结合《国际海上避碰规则》及良好的船艺将船舶航行态势量化划分为12种会遇场景;然后,从驾驶实践的角度改进影响...     

无人水面航行器技术

正上海海洋大学工程学院无人水面航行器科研团队结合自身水产学一流学科发展需要,以科技部远洋渔业工程技术研究中心和长江水域生态保护战略研究中心的实际科研需求为依托,配合学校水产学科数据资源,着重开展相关无人船装置研发、集群协同控制、船舶信息系统、传感器信息融合、航行状态感知等问题的研究。团队在上海市青年科技扬帆英才项目"远洋渔场鱼情信息协同探测技术研究"     

上海市海洋无人系统智能装备关键技术创新平台体系构建研究

采用专家问卷调研,基于上海市海洋无人系统智能装备产业发展现状分析及需求分析,开展上海市海洋无人系统智能装备关键技术创新平台体系建设研究.通过研究得出,上海市海洋无人系统智能装备关键技术创新平台体系的建设应充分整合相关行业的领先技术、专家资源,聚焦智能船舶、无人水面艇和无人潜航器等自主船舶/自主航行装备重大关键技术突破,探索新机制,致力于构建创新链、产业链、人才链和政策链等相互融合的开放式创新生态系统.     

东瀛幽灵——日本组建无人水下舰队

目前,日本在军事大国的道路上越走越远,日本海上自卫队已经拥有亚洲地区最大的导弹驱逐舰队和最大的反潜巡逻机队,但日本对这样的实力仍不满足。据日本媒体近日披露,为阻止来自海上的入侵和攻击,2007年1月刚升格的防卫省又制定了无人水面艇及无人潜艇发展计划,其中无人潜艇是重点,包括研发海底通信技术和自动航行控制技术等,相关试验预计在2013年完成,6年研发共投资60亿日元（约合6000万美元）,之后海上自卫队将开始部署无人潜艇。防卫省的构想是,将无人水面艇和无人潜艇相结合,共同执行追踪武装间谍船、搜索和清除水雷、海底调查以及监视入侵港湾和沿岸的敌方特种部队等任务。无人潜艇是当前军事强国正在研究的前沿武器装备,它的出现无疑将在一定程度上改变未来海战的格局。日本水下无人舰队的目标指向东北亚邻国,不能不引起人们的密切关注．[编者按]     

计算机远程遥控系统在无人船中的应用

以往使用的神经网络参考模型和Zigbee无线通信技术在无人船中应用时,受到无人船航行环境影响而导致无人船行驶位姿角度控制效果不佳的问题,提出计算机远程遥控系统在无人船中的应用研究。分析计算机远程遥控系统结构,在远程遥控器中设置蜂鸣器和语音播报器,根据发出的故障信号,提示异常情况。根据地面人员的操作指令,控制计算机远程遥控路由,解析指令包,由此控制计算机远程遥控命令帧。利用XOY坐标系作为基准,建立了无人船的运动学方程,通过该方程对无人船姿态进行控制,解决了无人船跟踪目标和自动避障等问题。由仿真实验结果可知,该方法在航向角度为60°和220°时,使用计算机远程遥控系统与标准值最为接近,具有良好控制效果。     

智能船舶主要机电应用技术分析

当前,智能船舶已成为船舶工业、航运业抢占创新优势的重大突破。本文对智能船舶与智能机舱的涵义界定进行了比较研究,分析了大数据挖掘处理技术、船机信息感知技术、无人船技术、智能机舱技术等主要智能船舶机电应用技术的特点和应用情况,并提出相应的设计方案、发展策略。     

多领航者导引无人船集群的分布式时变队形控制

[目的]针对含有模型高度不确定性和未知海洋环境扰动的无人船集群,研究多领航者导引的欠驱动无人船(USV)集群的分布式时变队形控制问题。[方法]首先,在运动学层级,基于包含策略和路径操纵原理,设计时变队形分布式制导律;然后,在动力学层级,针对USV航行中存在的模型不确定性以及未知海洋环境扰动,设计基于扩张状态观测器(ESO)的前向速度和艏摇角速度控制律,减小模型不确定性和未知海洋环境扰动带来的影响;最后,进行级联系统稳定性分析和控制器有效性的仿真验证。[结果]研究表明,无人船集群采用的分布式时变编队闭环控制系统输入状态稳定,仿真结果证明了控制方法的有效性。[结论]所提出的控制器可以使无人船集群形成预定的时变编队队形,并跟踪多领航者形成的凸包。