水面舰艇通信系统天线集成发展趋势及对策

通过介绍国内外水面舰艇电子信息及通信系统天线集成的发展趋势,阐述舰载通信系统的使用特点和需求．提出未来水面舰艇通信系统天线集成的基本思路。     

融合激光雷达构图与卫星地图的USV导航系统设计

为解决水面无人舰(Unmanned Surface Vehicle, USV)定位与导航的问题,使用舰载激光雷达扫描实时数据点云图像,结合卫星地图,共同构建含有岸基线的环境水域图像,为USV提供可行区域或路径,设计控制系统,利用深度强化学习网络(Deep Q-Learning Network, DQN)在固定水域环境对系统进行学习训练,不断调整网络参数并优化经验池中的相关数据集,训练后的USV在陌生水域具有自主航行能力和避障能力。设计的USV系统经过训练学习后在不同水域环境中进行测试并与其他控制算法进行对比,测试结果表明：在宽阔水域的误差仅为3.05 m,在水流相对比较湍急的狭长区域则为3.81 m,均好于传统的航位推算法,对于大范围远距离的区域探索,尤其是实时性要求较高的任务,完全可满足精度要求。     

基于动态窗口法的无人艇局部路径规划

本文设计了一种基于动态窗口法的无人艇局部路径规划方法。首先建立无人艇运动学模型,结合艇体机动性能给出无人艇运动方程。然后根据无人艇在短时间间隔内能达到的速度设置搜索空间,进而组成动态窗口。在动态窗口中确定速度产生的安全轨迹,设置动态窗口法轨迹评价函数选出下一时刻无人艇航行的最优轨迹,并在Matlab中进行仿真验证。结果显示,本文所设计基于动态窗口法的无人艇局部路径方法可以有效结合水面无人艇运动学参数,并充分考虑避碰规则以及障碍物因子,在其趋向目标点的同时也有效躲避障碍物,提高水面无人艇的自主避障能力。     

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。     

水面船舶运动姿态对声散射特性的影响北大核心CSCD

[目的]为了进一步提高鱼雷通过声自导识别复杂水面目标的精度,对随机起伏海面及水面船舶运动姿态下的声散射特性进行模拟研究。[方法]基于Kirchhoff近似和六自由度运动分解合成的方法,建立水面船舶目标多路径声散射简化预报模型。在该模型中,海面波浪对船舶六自由度运动幅度和周期的影响由经验统计值描述,通过旋转矩阵和平移矩阵,实现目标各顶点在连续运动状态下的坐标变换。基于此,利用所建预报模型,分析不同水平探测角下船舶六自由度运动分别对声散射特性的贡献度和影响。[结果]研究表明:横摇和艏摇对正横探测方位角的声散射影响较大,纵摇对艏、艉向声散射影响较大。此外,建立了船舶运动姿态与目标声散射回波特性的关系。[结论]研究结果可为声呐设备对水面目标主动声探测提供技术支撑。     

基于物联网的无人水面艇航行状态监测系统设计

针对无人水面艇(Unmanned Surface Vessel, USV)航行状态监测及试航性能评估试验中的参数获取问题,设计一套USV航行状态监测系统。以物联网(Internet of Things, IoT)3层架构为基础,设计小尺寸、低功耗的监测方案。以多源传感器和STM32微控制器作为感知层,以远距离无线电(Long Range Radio, LoRa)网关及LoRa终端作为数据远程传输途径,以传输控制协议(TCP)作为数据远程传输协议,以云平台作为系统应用层,实现数据采集、传输和应用功能。基于监测系统要求,在应用层设置阈值实现航行状态预警功能。对系统功能及性能进行测试,结果表明,系统横、纵摇精度为±0.02°RMS,风速为(0.2±0.03) m/s,风向为±2.5°,所有监测参数技术指标均符合要求,且丢包率在通信距离小于1.4 km时为1.5%,较传统方法降低约22%。该系统可为进一步完善USV航行状态监测提供技术支持。     

无人艇工程控制课程实践教学平台开发

针对在教学环节中存在的问题，利用计算机技术和工业软件开发无人艇工程控制课程实践教学平台。该平台可进行无人水面艇（Unmanned Surface Vessel，USV）建模及运动轨迹控制。针对USV物理参数的不确定性，根据运动学和动力学模型设计控制器，分析控制器参数对USV运动性能的影响规律。无人艇工程控制课程实践教学平台的建设应用可提升学生对USV的运动操控、故障判断及维护保养能力。     

枢纽实际调度运行下赣江石虎塘枢纽—峡江枢纽间河段水文特征参数研究

在赣江石虎塘枢纽—峡江枢纽两坝间的长河段，因峡江枢纽库区防护问题，近年来枢纽坝上实际运行水位远低于设计运行水位，导致两坝间河段水位整体降低，进而引发诸多问题，如两坝间大多涉水工程因设计阶段设计水位选取偏差导致运营期无法正常使用等。采用长河段一维数值模拟方法，根据峡江枢纽实际调度运行方案，对洪中枯期多级特征流量及峡江枢纽对应坝前实际运行水位组合下河道水面线进行计算；对两坝间河段沿程水位、河道比降进行计算分析，并选取各组回水曲线上、下包络线作为研究河段现阶段沿程设计参考水位。研究成果可为研究河段涉水工程设计提供水文特征参考资料。     

基于大涡模拟的大型水面舰船复杂风场数值模拟

基于大涡模拟LES和雷诺时均N-S方程RANS对不同风舷角下的大型水面舰船风场进行数值模拟，并采用Isherwood经验公式对其风载荷进行计算。将数值模拟结果与经验公式进行对比，验证LES和RANS二者对大型水面舰船风载荷预报的适用性。同时，对比分析基于LES法与RANS法模拟得到的不同风舷角下大型水面舰船的风场特性。研究结果表明：采用数值模拟法能获得合理的数值预报结果，而Isherwood法在部分风舷角下的适应性较差；采用LES法和RANS法得到的表面风压、流线和速度场差异不大，而涡结构差异较大；LES法能较好地捕捉到大尺度漩涡破碎生成小尺度漩涡，而RANS法仅能捕捉到少量长条结构的大尺度漩涡和涡鼓包。     

改进的YOLOv3水面障碍物检测方法

为了提高无人艇在自主航行过程中对水面常见障碍物检测的精度，解决模型参数量较大、模型复杂难以应用于嵌入式设备的问题，提出一种改进的YOLOv3水面常见障碍物检测方法。使用K-means++算法对自建数据集进行聚类得到新的锚框参数，通过添加雨雾噪声的数据增强方法优化模型在复杂天气状况下的障碍物检测能力。针对模型参数量较大问题，使用深度可分离卷积和注意力机制模块重构特征提取网络中的残差结构。为了优化预测框的回归效果，引入SIo U损失函数，将预测框与真实框的方向角度作为损失之一，加快训练速度，提高推理的准确性。通过试验验证了改进后模型参数量缩减了44%，检测精度提高了5.19%，漏检率也有所降低，能有效进行水面障碍物的检测。