基于泊位水岸线检测的无人艇自主靠泊方法

针对无引导标志物的自然泊位,提出一种基于泊位水岸线检测的无人艇自主靠泊方法。首先,通过无人艇搭载的摄像机对泊位进行采集,从中提取出泊位与水面交接的水岸线,并将其作为无人艇的跟踪对象;其次,通过图像中泊位左右两侧水岸线的消失点以及相机坐标系下原点与泊位水岸线投影点连线所形成的几何关系建立导航模型,求得偏航角、偏航距离、无人艇与期望停泊点的距离以及无人艇速度。靠泊控制器由航向控制器和速度控制器构成,其中航向控制器采用PD控制,根据偏航角和偏航距离实时控制无人艇的航向,速度控制器根据无人艇与期望停泊点的距离和无人艇速度来控制无人艇进行减速运动,使无人艇平稳安全驶向期望停泊点且在到达时速度为零。最后通过仿真和实船试验验证了该方法的可行性。     

基于视觉伺服的欠驱动无人水面艇自主靠泊方法

无人水面艇在开阔水域的自主航行得到了广泛的应用,但由于码头结构复杂、船只较多等因素,目前无人水面艇的靠泊还是需要人工来完成,这已成为无人水面艇全自主作业的瓶颈问题。为此本文提出了一种基于视觉伺服的无人水面艇自主靠泊方法。首先,通过无人水面艇搭载的视觉系统采集泊位的场景,从中提取出泊位标志物并将其作为视觉跟踪的对象;然后,利用标志物图像和期望图像的几何参数计算出航向偏差角,通过标志物图像计算标志物和无人艇的位置关系并求得虚拟航线,进而得到偏航距离;最后,选取航向偏差角和偏航距离作为控制变量,控制器实时调整无人水面艇航向和航速使其驶向泊位,当标志物图像与期望图像的差值小于设定阈值时即停止自主靠泊任务。实船试验结果表明,在较小风浪条件下靠泊位置误差小于0.7m,航向误差小于12°。     

无人机/艇协同自主降落的若干关键技术

为了解决无人机在无人艇上指定位置安全自主降落的难题,针对一种可垂直起降的固定翼/多旋翼复合无人机,将其自主着艇过程分为中段、进近、着艇这3个阶段,分别介绍了基于差分全球卫星导航系统、计算机视觉及二者复合的引导,无人艇甲板运动预估与补偿,机械锁定装置辅助降落及无人机无线充电等关键技术,并逐一给出了可行的解决方案,为无人机/无人艇协同工作时的自主降落提供参考和技术支撑。     

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。     

面向智能船舶的容错卡尔曼融合估计方法

针对智能船舶多传感器系统因未知海洋环境干扰和设备间干扰等因素导致的一个或数个传感器产生随机间歇性故障从而导致融合估计结果出现偏差甚至失真的问题,设计1种基于四分位滤波的容错方法,并针对该方法导致的观测时滞问题设计1种预报方法,提前预报观测值,进而抵消容错方法导致的时滞问题。此外,针对多传感器之间的互协方差难以准确估计的问题,采用CI融合估计方法进行融合估计。为验证算法的有效性和融合估计的精度,对带有间歇性故障的两传感器系统进行仿真试验,并与按矩阵、按对角阵和按标量3种分布式融合估计方法得到的结果进行对比。4种方法的均方误差系数大小对比结果显示,对于带间歇性故障的多传感器系统,设计的融合滤波不仅具有鲁棒性,而且具有较高的融合精度。     

一种面向科研实验的无人艇

为对无人艇的相关技术进行实船验证研究,在分析科研试验对无人艇系统需求的基础上,设计和实现一种基于以太网的分布式无人艇系统。该系统利用微控制器实现对传感器数据和设备数据的分布式处理,并通过以太网交换机组建数据交换局域网;利用开源通信协议和开源库对系统软件进行开发;详细介绍无人艇系统的具体设计和实现过程。系统测试和实船试验结果表明,所设计和实现的无人艇系统工作稳定,能较好地完成指定任务。     

一型两栖无人概念艇的横摇特性初步研究

多栖化是无人艇的未来发展趋势之一。提出一型两栖无人艇的概念艇型,其空气螺旋桨布置采用四旋翼飞行器的布置,水面部分采用类似五体船的形式。制作模型并进行一系列的横摇试验,同时还基于系统辨识方法研究不同侧体位置布置方案下的横摇特性。通过比较,验证了辨识方法的可靠性和数学模型的正确性,得到了该艇型的横摇特性在不同布置方案下的变化规律。     

面向任意位置姿态估计的无人艇虚实交互研究

无人艇作为一种高度集成的海洋装备,全船位姿状态感知成为无人艇智能感知与位姿补偿的迫切需求。面向全船任意位置点的姿态估计需求,本文设计基于数字孪生的无人艇虚实结合三维交互系统。该系统主要包括物理空间实体无人艇、信息空间三维可视化交互软件以及物理空间与信息空间的交互接口3部分。结合湖试验证,该系统实现了无人艇实时状态从物理空间向信息空间的真实映射。利用虚实结合跨空间数据融合方法,该系统实现了无人艇船体任意位置的实时速度观测,为无人艇局部位置点设备位姿变化补偿提供了参考输入。     

无人水面艇自主回收中的导航定位技术分析

无人水面艇的布放回收长期以来都是依靠人工进行,是制约无人艇在实际工程广泛应用的重要因素之一。导航与定位技术是无人艇实现自主回收的关键,然而目前无人艇回收过程基本还采用人工遥控手段,保障要求高、智能化水平低。本文阐述了无人艇自主回收过程中导航定位技术的应用现状,介绍了无人艇回收各个阶段的导航过程,对其中涉及的关键技术进行分析,包括无人艇多源导航信息融合技术和近距离视觉相对定位技术,最后对无人艇自主回收中的导航定位技术进行总结与展望。     

基于航迹信息的舰船姿态角估计研究

提出了一种利用航迹信息估计出舰船目标姿态角的方法。该方法首先建立了舰船目标运动模型,然后采用Singer模型对舰船目标的雷达数据进行处理,最后对舰船目标航迹数据进行多项式拟合,使目标数据更加优化,进而精确地估计出舰船目标的姿态角。仿真结果表明,该方法能够有效地估计舰船目标姿态角。     

一种提高电子海图上船舶航迹显示速度的方法

在电子海图上叠加显示船舶运动轨迹对船舶航迹分析和海上事故回放具有重要意义.船舶AIS(Automatic Identification System)报文提供了一种新的船舶动态和船舶运动轨迹获取方式.由于有关船舶动态的AIS报文发送频度较高,致使船舶运动轨迹点较为密集,这种情况将会导致电子海图系统在显示较长时间段船舶运动轨迹时,速度下降,从而降低了系统的用户友好性.利用垂距法对船舶动态数据按照电子海图显示比例尺进行分层.当电子海图显示比例尺较小时,仅显示船舶运动轨迹轮廓,而当显示比例尺逐渐增大时,显示海图显示地理范围内更详细的船舶运动轨迹信息.实验表明该方法能有效地提高船舶运动轨迹的显示速度.     

基于无人水面艇感知网的目标船航迹关联与数据融合

针对现有无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle,USV）在航行过程中感知周围航行目标时出现的数据源单一、数据延迟、数据丢失等问题,提出一种基于USV搭载的航海雷达和全球定位系统（GPS）数据源的USV海上航行目标感知数据融合方法。基于最小误差法提出雷达原始图像数据解析算法,并采用数据剔除、时间空间统一方法完成对目标数据预处理,构建基于欧氏距离和马氏距离的航迹关联算法模型、基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）和专家评价法的融合数据权重分配模型。同时,开展USV试验研究,验证整体融合方法。结果表明,目标原始数据预处理方法合理可靠,融合算法稳定可信,可为USV海上航行目标感知、安全航行及快速避碰提供技术和算法支持。     

船舶肋骨线型高精度拟合方法

船舶肋骨线型拟合的精度直接影响数控肋骨冷弯机弯制的精度,传统“用单条三次曲线拟合一整根肋骨线型”的方法具有无法严格经过所有给定点、误差分析无依据和未考虑曲率半径等缺陷。为避免这些缺陷,将整根肋骨看成多个分段,每个分段是一个独立的三次曲线,且参数数量正好等于已知数数量,使参数的解静定。针对由考虑曲率半径产生的非线性优化问题,将分段函数的处理从全局坐标系转换到局部坐标系,将分段的待求解参数从4个降维至2个,便于指定参数的初始解。利用坐标变换,将局部坐标系的结果转换回全局坐标系,拟合后的肋骨线型满足：严格经过所有给定点;曲率半径以高精度逼近给定值,误差的数量级为10^-5。     

运输船舶在波浪中失速的近似估算

如何准确、快速、简便地估算船舶在波浪中的失速,已成为船舶研究、设计人员及航运界有关人员共同关心的一个重要课题。文中给出了近似估算运输船舶在波浪中失速的2个方法。对处于初步设计阶段且尚未做过静水快速性能模型试验的运输船舶,可直接应用第2个方法。该方法提出的近似估算公式应用方便,也不用编程便可直接人工计算,且与模型试验结果相当吻合。     

非线性滤波器在动力定位船位估计中的应用

针对动力定位船舶在作业过程中因丢失GPS位置测量信号,从而导致动力定位系统不能正常工作,而使船舶偏离作业点的问题,设计了一种非线性滤波器,它可以利用以前保存的历史数据进行船舶位置的实时估计,从而使船舶在一定的时间内可以维持在作业点附近,当重新获得GPS信号后,又可以快速地进入正常工作状态。为了使历史数据能够更准确地反映船舶的实时位置,利用历史数据相对于作业点的平均偏差对历史数据进行了补偿。最后给出了此非线性滤波器在船舶仿真系统中的仿真曲线,分析表明在有滤波器的情况下,船舶真实位置估计的准确度比没有滤波器的情况下有明显的改善。     

应用二轴流速仪定向原理估计船舶遭遇的浪向

浪向信息对船舶安全航行至关重要.然而实际海浪是复杂的三维不规则波,目前尚无简易的浪向预报装置,驾驶者只能靠目测初步判断浪向,同时根据船舶在波浪中的运动状态逐步调整航向.本文基于"二轴流速仪定向原理",将航行中的船舶纵摇、横摇运动信息转换为二轴流速仪的输出,实现了以最少的信息采集和数据处理方法以获得基本的浪向信息,为航行中的船舶提供了一较简易、可靠的浪向估计方法.     

引入经验模态分解的舰船运动非线性极短期预报

船舶运动的极短期预报在船舶系统、设备作业等方面具有重要的意义，采用自回归模型对船舶运动进行预报等预报效果，如精度和时间长度，与实际应用的需要还存在较大距离。在自回归（AR）数学模型中引入经验模态分解（EMD）法，利用该方法将船舶运动的时历数据以“筛分”的方式分解成几个平稳的本征模态函数（IMF），并分别建立每个IMF的AR模型，用AR模型进行预报，然后将每个IMF的预报结果相加，将各预报结果的和作为原始信号的预报结果。采用该方法进行船舶非线性极短期预报对提高预报精度有一定的积极作用。     

基于模型预测控制的船舶自主避碰方法

针对海上多船会遇情况下的船舶自主避碰问题,提出一种基于船舶运动数学模型的开阔水域船舶自主避碰方法.该方法利用模型预测控制(MPC)算法,在考虑船舶操纵性和避碰规则的条件下,采用模糊数学理论分析船舶航行过程中的碰撞危险度,进而构建避碰算法的评价函数,实现船舶自主避碰.仿真结果表明,该算法能解决开阔水域多船会遇情况下的船舶自主避碰问题,验证了算法的有效性.