基于最小阻力的双体无人船优化设计

为了降低双体无人船在波浪中航行时的阻力,以片体长宽比、片体间距以及重心纵向位置为设计变量,根据均匀设计原理拟定不同的设计方案,运用数值计算方法对迎浪航行状态下双体无人船的静水阻力和波浪增阻进行分析,得出阻力与设计参数之间的关系,基于总阻力最小并计入总布置对船型设计的限制对双体无人船船型方案进行优选,得到波浪中阻力性能较优的方案。     

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。     

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。     

基于集合制导和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法研究

针对无人船在未知海洋环境下的避碰问题,提出了一种基于集合制导和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法。为了使无人船能够在沿预先规划路径航行的同时规避障碍物,采用了一种基于集合制导算法的无人船航行模式切换策略。当满足一定条件时,该策略能够使无人船在路径跟随模式和避碰模式之间进行切换,以实现航迹跟踪控制与避碰路径规划相结合;同时考虑到船舶自身的操纵性能,设计了一种基于动态窗口约束的反应式避碰方法。仿真试验表明,在满足国际海上避碰规则的前提下,该方法能够使无人船在沿预设路径航行的同时,有效地规避障碍物。     

基于智能船舶技术的FPSO智能化研究与展望

随着信息技术、计算机数据建模技术、有线和无线网络通信技术、新能源、人工智能等技术日新月异的发展,2012年9月,德国、挪威、瑞典、冰岛及爱尔兰等国启动了"基于智能网络的海上无人航行"(Maritime Unmanned Navigation through Intelligence in Networks,MUNIN)项目[1],目的是验证自动航行和无人船的可行性,研究与之相关的前沿技术和标准,并为相关法规修订提供支持,计划在2034年之前完成无人船的研制和自主航行的可能性研究[2],这引起了国内外船舶界的广泛关注.     

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。     

应用区域生长的无人船红外图像精确分割方法

为了更准确地掌握无人船航行动态,提出应用区域生长的无人船红外图像精确分割方法。对无人船红外图像特征进行有效提取与识别,采集应用区域生背景图像特征数值,有效提高图像边缘背景灰度和分辨率,将区域生长法与图像轮廓灰度信息相结合,进行无人船红外图像精确分割处理,保证分割结果精准合理。最后通过实验检测证实,应用区域生长的无人船红外图像精确分割方法在实际应用过程中具有更高的抗扰性和准确性。     

基于显式模型预测控制的无人船航迹控制方法研究

针对模型预测控制在线计算量大,难以满足无人船实际航行中的实时性要求的问题,提出了一种基于显式模型预测控制的航迹控制方法。首先利用视线制导算法（line of sight, LOS）,根据无人船当前位置和期望航迹信息,设计了无人船艏摇角的参考值,将无人船航迹控制简化为艏向控制;其次,将显式模型预测控制算法应用于无人船艏向控制问题中,该算法既保持了模型预测控制方法的优势,又提高了计算速度;最后通过仿真试验验证了所提出的方法可以显著提高无人船航迹控制的实时性。     

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。     

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。     

潜浮式无人船多工况阻力试验与数值模拟研究

本文针对一种潜浮式无人船的多潜深航行工况开展了阻力性能试验,并通过CFD软件STAR-CCM+对船体的阻力进行了数值模拟。分别对水面航行工况、边缘潜深工况和多组完全浸没潜深工况下阻力性能试验与数值模拟的结果进行了分析讨论。得出了低速航行时水面航行工况下总阻力较小,高速航行时边缘潜深工况阻力随速度增加迅速增大,完全浸没潜深工况随潜深增加阻力逐渐减小的结论。并通过可视化处理分析了多工况下船体的兴波情况、船体表面压力以及船体附近流场情况。本研究的方法和结论可以为潜浮式无人船的工程应用提供技术指导和支持。     

无人船远程遥控系统运行状态实时在线监测方法

为保障无人船顺利执行勘测、投放等任务,提出无人船远程遥控系统运行状态实时在线监测方法。该方法利用感知层内温度传感器、气体传感器、柴油机监测仪、姿态传感器等采集无人船远程遥控系统运行状态实时数据后,通过感知节点控制器与网络层感知节点控制器连接,将无人船远程遥控系统运行状态实时数据传输到ZigBee网络内,再通过该网络将其传输到运算层内,使用运行状态监测模块和异常预警模块获得无人船远程遥控系统运行状态实时在线监测结果与异常结果,并将结果传输到应用层内,应用层通过可视化监测、异常预警展示等模块实现用户的人机交互。实验表明：该方法不仅可有效检测无人船远程操控系统的运行状态,还可对异常状态进行预警,且监测与预警的实时性较好。     

无人船硬核助力长江航道整治工程

正近日,长江航道整治工程武安段Ⅰ标项目部无人船测试工作正式拉开序幕。该无人船最大载重50kg,续航150km,具有自主感知避障、自动测线测量、数据实时采集展示等特点,支持多种航行模式,与传统测量方式相比具有智能化、无人化、网络化的优势。武安段Ⅰ标项目部利用无人船搭载水质监测及测绘仪器,通过4G网络卫星等对施工区水深、水质进行监测,自动采集水质与水下地形数据,实现对水域水质、水深的动态监测和趋势预估。     

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。     

国内外无人船发展现状及未来前景

正浩瀚无垠的海面上,曾不时发现"无人船"的影子,它们又被称为"幽灵船",就像幽灵一样随波逐流,充满神秘,引人遐想。如今,像被热议的无人车、无人机一样,无人船也被频繁提起,其不同于漫无目的的"幽灵船",而是一种可以借助精确卫星定位和自身传感,即可按照预设任务在水面航行的全自动水面机器人。国内外在无人船研究方面进展如何?未来无人船拥有怎样的前景?关于无人船提到无人船,不得不说智能船舶。     

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].     

三体无人救助艇设计与研发

针对高海况下无人救援设备发展的需求,设计研发三体无人救助艇平台。根据水动力仿真结果和水池拖曳试验结果分析论证所设计三体船的耐波性和阻力性能并给出三体船的总布置图;设计无人驾驶巡航系统和救助系统;研制一艘基于"航行脑"的三体无人救助艇。设计研发成果表明:该三体无人救助艇具有优良水动力性能的船舶型线,其"航行脑"系统可实现智能控制平台、智能通信网关、智能自主航行系统和遇险人员救助装置的控制,利用冷热红外光电跟踪系统,能够实现对遇险人员的监测和救助。     

柔性连接水面无人三体船规则波中运动特性粘流数值仿真

针对水面无人船适应复杂海况航行的需求,提出一种适用于三体船的柔性连接桥原理构型。通过构建粘流数值波浪水池并结合重叠网格技术,实现了具有主体和侧体共六自由度的相对运动的流体动力学仿真。仿真结果初步表明,采用柔性连接桥后能够有效改善三体船在波浪中航行的阻力性能,且在一定波长范围内可以改善垂荡性能。     

水下无人船构建海洋环境监测系统研究

传统海洋环境监测是通过人工采集海水样品,在实验室进行数据分析。海水样本在采集和运输过程中容易被污染,进而降低监测数据的精准性,为此设计了一种水下无人船构建海洋环境监测系统。硬件系统通过选择高频率、高分辨率的传感器左右分割数据,进而设置监测电源的电路接口来完成构建。设计基于C语言的下位机,以及LabView平台的上位机程序,完成系统软件程序构建,实现无人航行船水下监测。实验结果表明,水下无人船构建的海洋环境监测系统,在没有破坏原本海洋环境样本数据的基础上,提高了精准度。