一种基于有限状态机模型的局部转向避碰路径规划算法

针对多礁石、渔船等障碍物的近海复杂环境下的一些应用,提出了一种基于有限状态机(finite-state machine,FSM)模型的无人船(unmanned surface vehicle,USV)局部转向避碰路径规划算法。首先,基于速度障碍法和障碍物区域分层方法,获取无人船固定航速条件下的航向角约束解析结果。然后,基于该约束条件及障碍物探测情况设计FSM的有限状态及执行动作和状态迁移条件,其中,通过转向控制实现向目标位点或缓冲位点进行导航的状态为FSM的2个重要状态。最终通过FSM的执行实现局部转向避碰路径规划。仿真结果表明提出的多障碍物避碰算法具有可行性和实用性。该方法易于改进和扩展,且容易与当前主流的无人船控制系统结合,有利于无人船避碰系统快速工程化的实现。     

无人船系统应用于水库水样离岸采集——以棘洪滩水库为例

水库水质监测是水库水质评价的重要依据,通常需要现场采水样后带回实验室进行检测与分析。然而一些特殊情况下,例如库区无船、情况复杂等,只能获得沿岸水样,导致水质监测结果无法代表水库整体水质质量。本文针对水库的水样离岸采集,基于自研发的无人船系统,设计集成了采水泵,并利用无人船位点跟踪技术,实现了远距离定点遥控采水样功能。在青岛棘洪滩水库,利用该系统,设置了两个采样点(离岸50 m和离岸1300 m),并成功获取了水样。在实验室内,利用分光光度计、离子色谱仪、电感耦合等离子体质谱仪等设备,完成了所采集水样的水质分析。实验结果表明,无人船应用于水库水样离岸采集具有可行性、实用性。     

走航式水质采集监测平台的构建

走航式水质采集监测平台是近年来发展的一种新型海洋监测方式,适用于近海海域、水库、河流、湖泊等多种水体的水质监测,可以实现水质采集监测自动化,有助于对重要监测单位实施自动化监控管理。近海走航式水质采集监测平台是多学科的集成和整合。平台采用双体船、双螺旋桨全密封结构,在虚拟仪器软件的控制下,可以实现自主规划路径、自主导航和自主避障、智能采集水样和实时传送监测数据等功能。自诊断自确认系统保证了近海走航式水质采集监测平台系统的安全运行,以太阳能和锂蓄电池为混合动力、无二次污染。通过实际海洋环境测试,证明了该平台具有很强的实用性和广阔的应用前景。     

无人船监测与测量技术进展

为了促进无人船技术得到快速发展,较系统地综述了无人船监测与测量的基本原理、主要性能和典型应用,同时对无人船的船身结构、动力系统、测量载荷等硬件设备以及数据处理、岸基控制等软件系统做了较为详细的阐述。最后对当前无人船测量技术发展中存在的难题进行了深入分析与探讨,以期我国的无人船监测与测量技术能够得到较为迅速的发展并得到广泛的应用,满足社会发展的需要。     

混合模拟退火与粒子群优化算法的无人艇路径规划

针对水面无人艇路径规划中单独使用模拟退火算法存在的不足,以提高无人艇在执行任务时的安全性为研究目的,解决传统无人艇在航行中未考虑来往船只而导致的碰撞危险,提出了模拟退火算法与粒子群算法相结合的混合路径规划算法,利用该算法的高收敛性和容易跳出局部最优等特点,结合避碰规则,实现海事无人艇在同一静态环境下对遇、交叉和追越三种会遇局面的最优路径规划。仿真结果表明:本文提出的算法可以实现无人艇在复杂水域条件下快速路径规划,使与他船的自动避碰行为成为可能,给出的路径规划具有可行、有效,能够为无人艇安全的航行、顺利的执行任务提供保障。     

一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用

无人船是一种新型的无人多功能海洋监测平台,能够以遥控或自动方式完成连续性海洋参数测量。针对湖泊和近海的海洋环境监测,自主研发了一种双体双推进式无人船系统"USBV"。利用该无人船系统,搭载信标差分GPS、单波束测深仪和CTD(温盐深仪),于2014-10-11在连云港当路水库和连岛海域,开展了水深、温度和盐度的自动航行监测。通过分析无人船的自动航行性能和深度、温度与盐度的测量结果,验证了无人船"USBV"用于海洋环境监测的自动性和可行性。     

无人船运动控制方法综述

为实现无人船海上自主作业,无人船运动控制的快速性、准确性以及鲁棒性亟待提高。首先从全驱动控制和欠驱动控制角度,分别概括了国内外无人船航向控制、航速控制、轨迹跟踪控制以及路径跟踪控制的主流控制方法。其次,归纳总结了处理海洋环境不确定扰动的研究进展,包括扰动的建模和消除、抑制扰动的主流方法。最后,总结了无人船运动控制现状与存在的问题,并从工程应用和理论研究两个角度对未来的研究方向进行了展望。     

海商法视角下对CMI无人船调查问卷的思考

为解决无人船适用海商法存在的问题,促进我国无人船海上运输产业的健康可持续发展,文章从法理的角度阐释国际海事委员会无人船调查问卷中无人船的法律地位、船长和船员的认定以及无人船的碰撞责任,提出无人船适用海商法存在不确定性风险;在海商法领域,无人船的法律地位认定、船长和船员的识别以及船舶碰撞责任的适用仍存在问题,解决上述问题的有效路径是明确无人船的法律地位、将岸基控制人员识别为船员、采用过错责任原则认定无人船的碰撞责任以及合理分配船东与生产者之间的碰撞责任,以合理规避无人船的风险。     

基于无人机和无人船的岛礁地形测绘技术

无人岛礁及其周边环境复杂、基准不一,对其进行高精度测绘存在诸多困难。介绍了一种基于无人机和无人船的测绘系统,融合大地测量、无人机航空遥感、无人船水下测绘等多源观测技术获取无人岛礁一体化测绘成果。并在广东省珠海市的三角岛进行实地测量,获取了海岛水上水下一体的三维点云、等值线、DOM等数据,陆上成果精度达厘米级,水深测量成果符合相关规范要求,该成果可广泛应用于海洋、国土、测绘、规划、建设等领域,有助于解决无人岛礁缺乏控制点造成的数据精度低、各部门需求数据多次采集耗时费力等问题。实践证明该技术具有一定的工程意义。     

电子罗盘应用于无人船测向的IIR滤波性能分析

测向是无人船自动控制所需的一项重要数据,然而其通常会受到自身精度、航向突变和环境等影响,目前准确的动态测向还存在一定困难。针对所研发无人船的转向特性,在实验室内通过HMR3000电子罗盘转动实验模拟了无人船常规和极端两种转动情况,选择不同的滤波参数分析了IIR滤波特性,最后获得适用于本无人船的测向滤波参数。在无人船的湖试中,基于该电子罗盘的航向自动跟踪控制效果良好。实验结果验证了该滤波参数选择的正确性,可用于无人船的最佳滤波。     

基于物联网的近海岸水质监测平台方案设计

近年来,海洋生态环境保护逐渐受到社会的重视,海洋环境监测活动与研究开展得越来越频繁。其中,水质监测是重点研究的内容之一,而水质在线监测方式可解决传统人工定点釆样监测时效性不足的问题。本文基于物联网（Internet of Things, IoT）技术,设计了一种实用的近海岸水质在线监测方案。该方案整合了具有通信距离远、抗干扰能力强的LoRa（Long Range Radio）无线通信技术、传感器技术、Web技术以及微信小程序技术,可实现近海岸水质监测数据的实时采集、处理、传输、存储、共享、展示、管理和控制,满足近海岸水质监测、渔业养殖监测和海洋牧场监测等多种近海固定点监测应用的需求。此外,本文还对设计的方案进行了原型系统实现与系统测试,结果表明设计方案可支持以无线方式对近海岸区域水质的智能化和长期性远程监测,有效改善了现有近海在线系统存在的监测距离较近、成本高、布设不够灵活和抗干扰性较差等不足。     

羟基杀灭船舶压载水微小生物中试实验研究

采用羟基处理压载水技术,使用羟基处理设备和管道作为模拟船舶排放压载水的管道。研究了羟基对海产小球藻、游仆虫和异养细菌的杀灭效果,说明羟基能有效杀灭压载水中的微小生物;并模拟船舶排放压载水过程中排放地的海水对处理后压载水的稀释作用,稀释后的水样经过96h的培养,没有发现微小生物复活的情况,证明了羟基杀灭船舶压载水微小生物在长度为4m(接触时间为2s)的接触管道内已经完成。并研究了羟基处理压载水技术对水质情况的影响,结果表明羟基有效杀灭船舶压载水微小生物的同时能改善压载水水质。     

顾及恶劣海况的船舶救援路径规划

为了保障救援船舶在恶劣海况环境下能够安全、高效地到达救援区域,本文改进人工鱼群算法开展海上救援路径规划研究。选取地形、海风和海浪等指标进行风险度量,采用GIS（geographical information system）多指标决策方法构建海洋环境威胁场,通过粒子群算法计算救援路径规划的最佳参数,并实现海上救援路径搜索。实验表明,基于改进的人工鱼群算法规划的船舶救援路径效果更优,可为海上应急救援提供辅助决策参考。     

Path Planning Method Based on D~* lite Algorithm for Unmanned Surface Vehicles in Complex Environments

In recent decades, path planning for unmanned surface vehicles(USVs) in complex environments, such as harbours and coastlines, has become an important concern. The existing algorithms for real-time path planning for USVs are either too slow at replanning or unreliable in changing environments with multiple dynamic obstacles. In this study,we developed a novel path planning method based on the D* lite algorithm for real-time path planning of USVs in complex environments. The proposed method has the following advantages:(1) the computational time for replanning is reduced significantly owing to the use of an incremental algorithm and a new method for modelling dynamic obstacles;(2) a constrained artificial potential field method is employed to enhance the safety of the planned paths; and(3) the method is practical in terms of vehicle performance. The performance of the proposed method was evaluated through simulations and compared with those of existing algorithms. The simulation results confirmed the efficiency of the method for real-time path planning of USVs in complex environments.     

水质参数在线监测及远程传输系统的研制

本文讨论了 1种具有远程数据传输功能的水质在线监测系统的研制与实现。它以 AT89C51单片机为核心器件 ,构成监测 5项水质常规参数的在线监测仪器 ,并通过公共电话网 ,将这些水质参数传送到远端的监控中心 ,提高了水环境监测的自动化水平 ,降低了水质在线监测设备的成本 ,在基层水环境监测部门及水处理厂具有推广价值。     

乌伦古湖水质评价,预测及对策

本文通过现场考察及水质监测,评价了乌伦古湖的水质及污染源状况,还对水质的发展趋势进行了初步预测。本文认为,湖区面污染源相对严重,湖体内有78.8％的水面是以有机污染为主的轻污染水域。到本世纪末,该湖污染负荷量将有较大的增长。因此,必须保持充足的湖水贮量,严格控制入湖污染负荷。     

Layered berthing method and experiment of unmanned surface vehicle based on multiple constraints analysis

Considering the dynamic changes of unmanned surface vehicle (USV) in berthing tasks, the planning and control modes are divided into two phases: the remote phase and the terminal phase. According to the main influencing factors of the two phases, an improved artificial potential field method is proposed to complete autonomous berthing trajectory planning based on the analysis of environment constraint, berth point constraint and USV’s dynamics constraint. Combining with the dynamic characteristics and control objectives at different phases of berthing and analyzing the fuzzy rule regulation strategy of USV’s heading and speed control, an improved adaptive fuzzy PID control method is proposed to solve the control problem of USV, which is influenced by weak maneuver, large disturbance, limited water area and strong shore effect. Finally, the comparative test of berthing simulation verifies the superiority of the proposed control method. The autonomous berthing field experiment is completed based on the "Dolphin-I" small USV. It verifies the validity and feasibility of the proposed autonomous berthing method.     

Effects of sampling frequency and laboratory detection limits on the determination of time series water quality trends

Time series trend analysis using the non‐parametric seasonal Kendall Sen Slope estimator and the seasonal Kendall trend test was conducted on a water‐quality data set (raw and flow adjusted) from part of the Wellington Regional Council's freshwater baseline water quality monitoring programme. The trend analysis was conducted a number of times to determine what effects changing the sampling frequency and detection limit may have on the overall result of the analysis. Results indicate that trends detected using a low detection limit are often not detected when a higher limit is adopted. This holds for upward and downward trends. Results also indicate that if the sampling frequency was changed from monthly to quarterly fewer trends were detected. The results also show that where the quarterly data shows a trend it is usually of a slightly different magnitude (slope) compared with the monthly data. This paper serves to illustrate the importance of considering detection limits of variables and sampling frequencies for state of the environment monitoring programmes.     

A task-based hierarchical control strategy for autonomous motion of an unmanned surface vehicle swarm

In this paper, a hierarchical control framework with relevant algorithms is proposed to achieve autonomous navigation for an underactuated unmanned surface vehicle (USV) swarm. In order to implement automatic target tracking, obstacle avoidance and avoid collisions between group members, the control framework is divided into three layers based on task assignments: flocking strategy design, motion planning and control input design. The flocking strategy design transmits some basic orders to swarm members. Motion planning applies the potential function method and then improves it; thus, the issue of autonomous control is transformed into one of designing the velocity vector. In the last layer, the control inputs (surge force and yaw moment) are designed using the sliding mode method, and the problem of underactuation is handled synchronously. The proposed closed-loop controller is shown to be semi-asymptotically stable by applying Lyapunov stability theory, and the effectiveness of the proposed methodology is demonstrated via numeric simulations of a homogeneous USV swarm.