摘要：针对在风、浪、流时变干扰下欠驱动水面船舶的轨迹跟踪控制问题,设计了一种基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器.考虑到欠驱动船舶在没有横向驱动力情况下控制船舶纵向、横向和艏摇角3个自由度的运动,建立了仅有2个控制输入量且存在风、浪、流干扰下的非线性状态空间模型,在对模型近似线性化后应用线性模型预测控制方法设计出了一种考虑控制量极限约束、控制增量约束以及输出量约束的轨迹跟踪控制器.最后,在仿真环境下测试了系统对圆形轨迹的跟踪性能,并对约束进行了误差分析.结果表明,所设计的控制器能较好地满足跟踪性能,并能抵抗一定程度的环境干扰.

摘要：环境干扰下如何实现精确、可靠路径跟踪控制是目前无人水面船(无人船)自主航行的关键和难点问题。从无人船路径跟踪控制的算法设计、系统实现和试验验证等三个层面开展研究:在算法设计层面,提出了考虑水流干扰条件下的自适应视距(Line-of-sight,LOS)制导算法以及基于LEM(Line-of-sight&extended state observer&model predictive control,视距-扩张状态观测器-模型预测控制)的自适应路径跟踪控制方法;在系统实现层面,设计了无人船路径跟踪控制系统架构,并解决了MPC快速求解、系统状态采集与不可测状态观测问题;在试验验证层面,构建了在室外水池环境下的模型船路径跟踪控制试验平台,并在此平台上完成了MPC与比例-积分-微分(Proportional-integral-derivative,PID)路径跟踪控制对比试验,以及基于LEM与基于传统LOS的MPC路径跟踪控制(Traditional LOS&MPC,TLM)对比试验。试验结果表明,构建的无人船路径跟踪控制系统运行稳定可靠,提出的LEM自适应路径跟踪控制方法具有更高的路径跟踪控制精度和可靠性。

摘要：为提高船舶在闸室水域的航行效率和安全性,开展了船闸水域船舶列队协同停船控制方法的研究。建立了闸室水域船舶列队直航运动模型,基于模型预测控制原理分别提出了速度-时间法和速度-位移法两种船舶停船控制方法。针对船舶列队协同停船控制需求,结合停船经济性和平顺性设计了船舶列队停船控制目标函数,以船舶纵向间距保持、输入为约束,提出了基于集中式模型预测控制的船舶列队协同停船控制器。仿真结果表明,所设计的单船停船控制器和船舶列队停船控制器均具有较好的控制效果。相对而言,速度-时间法在平顺性上具有明显优势,速度-位移法则在经济性上表现更好,且有更高的控制精准度和稳定性。

摘要：为解决无人水面艇动态环境目标动态感知问题,研究无人艇三维激光雷达目标实时识别系统。设计出无人艇三维激光雷达目标实时识别系统结构、硬件组成及数据通信协议。基于点云库(Point cloud library,PCL)、Qt和Visual Studio平台开发了无人艇三维激光雷达目标实时识别系统软件,实现了点云数据校正、实时处理、数据显示、状态输出、远程通信等功能。考虑到无人艇航行时周边环境障碍物三维激光点云分布特征,将三维激光点云投影至多属性二维栅格进行表示,利用八邻域算法实现了障碍物栅格的聚类,解决了点云数据处理、目标分割、点云图像远程交互等关键技术。最后,构建了室外水池环境下的无人艇三维激光雷达目标实时识别系统试验平台,测试结果表明该系统能够可靠、准确识别无人艇周围100 m范围内的障碍目标。

摘要：为了提高无人船在复杂的环境下自主航行与避碰的适应能力,设计了一种兼顾反应式行为和智能决策行为的混合式体系结构控制系统。该系统在普通的三层分层递阶控制系统上加入分析层,该层包括信息分析与行为分析两个模块,两模块采用基于权重的方法将无人船航行事件划分优先级,高优先级事件(避碰)通过反应式行为执行,而低优先级事件(自主航行)通过智能决策行为执行。通过无人船自主航行与避碰实验验证了该系统能在实时避碰的情况下满足自主航行要求。

摘要：研究了船舶编队控制的特点,从船舶编队控制结构、编队路径规划、编队运动建模和编队运动控制4个方面分别对现状和方法进行分析;介绍了船舶编队控制原理,描述了船舶编队领导-跟随结构、虚拟结构、图论结构、基于行为结构的数学表示方法及应用场景;针对船舶编队路径规划,总结了编队环境建模、全局路径规划和局部避碰规划等最新方法及其特点,展示了基于粒子群优化算法的船舶编队局部避碰效果;针对船舶编队控制运动建模,构建了考虑干扰、控制时延和约束的船舶编队水动力模型,并将该模型在船舶编队过闸控制场景中进行了验证;针对船舶编队运动控制,归纳了典型集中式、分散式和分布式编队控制器特点,指出分布式编队控制器具有更好的鲁棒性和可扩展性,设计了基于分布式模型预测控制的编队航行控制器。研究结果表明:目前船舶编队控制技术瓶颈主要体现在有人/无人编队共融、岸端驾控为主的内河船舶编队控制、不确定干扰下的船舶编队控制、通信受限下船舶编队鲁棒控制、特殊水域船舶编队控制和船舶编队控制一致性等方面;在未来船舶编队发展中,应重点解决船舶编队分布式协同控制、船舶编队任务多元化控制、基于生物群体机制的船舶编队控制、特殊水域船舶编队控制、人工智能技术在船舶编队控制中的应用等问题。

摘要：此文基于长江电子航道图提出了一种船舶航线动态生成的算法。通过缩小搜索区,对可能影响航线设计的碍航区进行提取,建立缓冲区,采用逆序法自动搜索出最短航线,并根据船舶位置的不断变化,动态更新部分航路点。该算法在VC++环境下进行试验,结果表明该算法能够高效生成最短航线。

摘要：多船协同航行在海事搜救、资源勘探、极地航运等领域中具有显著优势,其中纵向航速协同控制是实现船舶协同航行的关键。通过分析船舶螺旋桨转速、加速度与航速之间的关系,构建了考虑风力影响的船舶纵向动力模型,为实现前后船加速度与跟驰距离的关联,引用基于变时距策略的船舶间距模型。设计了考虑航速、加速度等多约束的多船航速控制目标函数,并利用模型预测控制方法实现了最优化问题的实时求解。通过Matlab进行仿真验证,结果表明,提出的基于模型预测控制方法的船舶纵向航速协同控制方法在前船加速、减速、匀速等工况下,后船均能实现对前船的精确稳定跟驰,其距离跟踪误差分别为0.0925 m,0.1928 m,0.1662 m,与PID方法相比具有更好的收敛性、跟踪精度和抗干扰能力。

摘要：多船编队自动协同过闸是一种能深入挖掘船闸通航潜能、保障航行安全的航运新模式。为评估和验证船舶编队过闸航行控制效果,研发了一种船舶编队过闸航行三维实时仿真系统。首先,设计了船舶编队过闸航行三维仿真系统分布式架构,结合船闸水域卫星图并利用映射技术构建了船闸水域场景地形,制作了基于Unity的船闸水域三维仿真静态和动态场景。其次,采用动态和静态模型相结合方式构建了船闸运行系统,并根据船舶自身尺度和船闸宽度等条件实时计算船舶编队状态,实现了船舶纵向、横向编队全过程三维实时动态仿真。最后,以船舶自适应巡航编队航行和多船双向编队过闸航行为验证实例,对船舶编队过闸航行三维实时仿真系统分别进行了验证,结果表明本系统能实时动态模拟船舶编队过闸全过程,并准确计算船舶编队过闸航行状态,可为未来实现船闸水域船舶编队航行提供重要的基础平台支撑。

摘要：为更好地保护海洋和内河水域环境,加强对船舶排放舱底水行为的监督,在结合国际标准规范和船舶自身特点的基础上,探讨了基于AIS(船载自动识别系统)远程传输在航船舶油水分离器状态信息的必要性与可行性。选择AIS消息12和14作为油水分离器状态信息传输载体,设计了1套完整的油水分离器状态信息传输交互协议,协议共定义了6类报文,即实时数据报文、请求发送报文、启闭情况报文、历史排油情况报文、自定义消息报文、确认收到报文,并详细介绍和分析了报文编码、生成、传输与解析等过程。在有房屋和树木干扰环境下对报文传输过程进行了仿真试验。结果表明,传输过程丢包率为30%左右,满足AIS报文传输要求。