无人船现状及发展趋势综述

无人船是海洋技术发展的产物,作为一种新型技术手段目前已在海洋调测和防务领域广泛应用.本文从无人船系统的组成、应用领域和发展现状出发,归纳总结无人船的关键技术,并研究其发展趋势.作为一种水面机动载体,无人船关键技术包括特型平台设计技术、运动控制技术和通信技术3个方面,其核心是围绕任务内容、载荷原理、使用环境特点,以应用设计、功能开发为主体的系统集成和应用.现阶段无人船主要作为传统海上工作方法的补充,在遵守、参照现有各种法规、技术标准要求的前提下,搭载已成型的船用任务载荷,按照载人船舶的作业模式、施工惯例投入各种应用.未来随着材料技术、人工智能、通信技术的发展,以及相关政策、法规的建立、健全,无人船将逐步成为一种独立的技术手段,形成一系列新的作业模式和技术方法.     

无人船声学探测设备集成设计优化方法研究

常规海底探测任务多使用声学探测设备,按照预设测线航行作业,载体航行扰动和自噪声往往直接影响数据质量和作业效率。通过水动力仿真模拟和实船测试等技术手段研究无人船集成声学探测设备的方法,提出设计优化方案来指导无人船的设计与制造,最终实现实船所测数据满足95%置信区间小于0.25,达到IHO44特优级标准,充分证明提出的关于无人船声学探测设备集成设计方法的研究是可行的,具有推广和深入研究的意义。     

无人机正射影像辅助无人船测深的作业方法探讨

无人船测深系统被越来越广泛地应用于采集水深数据。在复杂水域环境中进行作业时,无人船受到工作底图及导航方式的限制,难以采用自动航行模式进行测绘,因此提出了一种无人机正射影像辅助无人船测深的作业方法。通过无人机快速获取测区正射影像成果,利用正射影像辅助进行测区划定和测线布设,避开可能造成作业风险的水上障碍物和岸滩。并在此基础上进行自动航行线路的规划设计,在水位不低于正射影像获取水位时开展无人船测深作业。经验证,采用该方法能够最大限度的完成测绘任务,同时降低作业强度与风险,具有较好的应用价值。     

基于扰动观测器的非奇异模糊滑模无人船编队控制

针对含有模型参数不确定性、外界干扰与抖振现象的无人船编队问题,提出了一种基于扰动观测器的非奇异模糊终端滑模编队控制方法。首先,将领航者–跟随者与人工势场法相结合,获得无人船的编队构型并保证无碰撞现象;其次,基于Lyapunov能量函数设计出模糊控制规则,消除了控制器中的抖振问题;进而,提出了一种扰动观测器来补偿未知动态和外界干扰,增强了系统的鲁棒性和稳定性。通过理论分析和仿真结果验证了所提控制方法的有效性。基于所设计的编队控制方法,无人船最终可形成期望的编队构型。     

无人船监视图像反光区域检测与去除方法及实验验证

受海上环境、太阳高度角和无人船航向等因素的影响,无人船监控图像中海面反光现象不可避免,进而干扰后续视频处理,例如海天线的提取和运动目标的跟踪等。本文提出了一种无人船视频监控海面反光区域的检测及去除方法。首先,利用RGB颜色通道中的最大值与最小值获取像素点的亮度比例关系,检测海面反光区域中的高亮像素点。然后,针对检测到的高亮像素点进行形态学膨胀操作,获取较完整的海面反光区域。最后,结合反光区域中像素点亮度值随其位置分布的变化特点,使用加权后的邻域像素进行高亮成分抑制,实现反光区域的去除,并完成了无人船监视图像处理实验验证。实验结果显示,所提出的方法可有效检测并去除海面反光区域。     

基于改进动态窗口法的无人船目标跟踪运动规划方法

针对多浅滩、礁石和渔船等复杂环境下可疑船只目标运动跟踪问题,本文提出了一种基于改进动态窗口法的无人船目标跟踪运动规划方法。首先,根据目标船只的状态和障碍物位置,自适应选择目标跟踪制导律,同时采用最近会遇点方法优化采样空间。然后,将航行危险度评价因子加入动态窗口法目标函数,以此评估碰撞危险度。最后,对有限时域内的推演轨迹...     

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。     

一种新型无人船海洋水深测量技术

在海洋测深中,由于波浪和潮汐的影响,调查船或无人船所测量的瞬时水深不能直接作为海图水深。本文提出了一种新型的无人船海洋水深测量技术,以评估搭载RTK和单波束测深仪的无人船用于海洋水深测量的潜能。首先,使用无人船所搭载RTK的厘米级精度高程数据,通过低通滤波剔除波浪信息,而获得海平面高程。然后,基于潮汐表和无人船海平面高程,构建了一种参考椭球面和海图的两个基准面之差的获取方法;在常规的海洋调查中,该基准面差通常需要由长期的验潮获得。最后,利用海图基准和无人船测量的瞬时水深的转换关系,计算出海图水深。在海南省蜈支洲岛周边海域,利用自研发的无人船“USBV”开展了相关海上实验,以验证所提出的技术方法。实验结果验证了该无人船海洋水深测量技术。     

基于无人船的大洋中尺度涡观测系统展望

中尺度涡在大洋中普遍存在,研究发现其能量比大尺度海洋环流的能量大一个量级,在海洋物质能量输运和全球气候变化中起着重要的作用。受观测条件限制,目前对中尺度涡的观测主要通过卫星高度计实现,只能从海面高度来推算中尺度涡大小、分布、强度及其伴随的水体和能量输送,而卫星高度计对中尺度涡垂直结构特征认识不足,也导致了对中尺度涡所引起的上层海洋能量、热量输送估计误差偏大。目前对中尺度涡三维结构观测认识不足,展望未来将会出现基于无人船平台的大洋中尺度涡三维结构自动观测系统,该平台将集成自动水下剖面观测功能等先进技术,以便观测中尺度涡的垂直结构特征及其时空变化特征,进而可对中尺度涡带来的物质和能量输送进行系统认识。     

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。     

一种新型双体无人监测船风力作用下的运动特性变化预报研究

小型双体无人监测船运行平稳,甲板尺寸大,吃水浅,在水环境监测、工程测量、巡逻跟踪、水产养殖等领域具有广阔的发展与应用前景。但该类船风阻大,水动力复杂,运动特性在风力作用下变化明显。本文对双体无人监测船的风作用力进行了分析,将风作用项引入其动力学模型。利用该模型,对其主要运动特性进行了仿真预报。仿真结果与现场实测数据具有良好的一致性。该研究结果可以为新型双体无人监测船运动控制算法在不同风作用环境下的适应性调整提供依据,从而提高其海上作业能力与控制精度。     

Information fusion model-free adaptive control algorithm and unmanned surface vehicle heading control

Based on the model-free adaptive control (MFAC) theory, the heading control problem of unmanned surface vehicles (USVs) with uncertainties is explored. First, as a USV’s heading subsystem does not satisfy the quasilinear assumption of the MFAC theory, a new type of input and output information fusion MFAC, i.e., the IOIF–MFAC algorithm is proposed. The novel algorithm proposed herein renders the MFAC theory applicable to the heading control of USVs. Next, the input and output information of the heading subsystem, namely the rudder angle and heading angle, are combined, and the data model of the heading subsystem is subsequently deduced using a compact format dynamic linearization method. Based on which, the stability of the control system is proved. Finally, the effectiveness and practicability of the IOIF–MFAC algorithm are verified by simulation and field experiments through the “Dolphin IB” test platform developed by our group.     

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.     

Trajectory-cell based method for the unmanned surface vehicle motion planning

A trajectory-cell based method was proposed for unmanned surface vehicle (USV) motion planning to combine the expression of the dynamic constraints and the discretization of the search space. The dynamic constraints were expressed by the USV trajectories produced by the mathematical model. The search space was performed by the discretization rules with the consideration of the path continuity, the search convenience and the maneuvering simplification. Therefore, the trajectory-cells were the discretized trajectories, which made the search space meet the USV dynamic constraints, and guaranteed the final spliced path continuous. After abstracting the characteristics of those cells, the available waypoints and headings were represented as the search indexes. Finally, a trajectory-cell based path searching strategy was proposed by determining the cost function of the A* algorithm. The results showed that the proposed algorithm can plan a practical motion path for the USV.     

潜器在冲击载荷下的运动和控制研究

潜器在水下发射火箭时会产生复杂的运动变化,对其研究很有实际意义。参照格特勒运动方程,建立潜器运动的非线性数学模型。导入实验模型的参数,对其六自由度基本运动进行了仿真,并与水池实验结果相比较,验证了仿真模型的有效性。导入发射火箭时潜器受到的完整载荷,计算分析了不同航速下潜器的运动响应和运动控制。结果表明,发射载荷对潜器运动将产生较长时间的显著影响,包括速度损失、升沉运动和纵倾角振荡。航速越小,运动变化越大,恢复所需时间越长,控制越困难。     

端口受控哈密顿方法的电力双推进无人船航向航速控制

以电力双推进无人船航速航向控制为主要研究问题,使用永磁同步电机作为无人船螺旋桨的驱动电机,采用基于端口受控哈密顿(PCH)方法,有效的降低了系统损耗,使无人船驱动系统输出功率得到了优化。仿真结果表明,系统能较快达到稳定状态,实现了无人船的速度控制要求,提升了无人船系统的续航能力。     

声学水面无人艇在浅水海底地貌调查中的应用

水面无人艇（USV,Unmanned Surface Vehicle）具有吃水浅、灵活机动、安全高效的特点和优势,日益成为浅水调查的重要手段。对于常规船只和考察人员不能到达的浅水环境的调查,无人艇具有填补甚至替代的价值和意义。C-Worker 4水面无人艇平台搭载了多波束测深、侧扫声呐、浅层剖面声学系统,运用脉冲同步控制和发射频率差异化配置的方法实现数据同步采集,旨在提高调查效率、优化调查方法和节约成本。基于2019年在海南岛澄迈湾1.2～22 m浅水环境的调查数据,处理和分析评估表明其采集数据可靠性高,能清晰识别海底沙波、波纹、礁石、埋藏河道、港池、航道、拖痕等微地貌单元。研究证实水面无人艇搭载多源声学系统同步测量可提供精细、立体、可靠的海底地貌基础资料,服务于海岸带地质调查、资源开发、工程建设、水运交通和国防安全等。     

基于高阶滑模控制器的水下潜器运动控制

水下环境复杂多变,由于水流的不可预知性和多变性,潜器的水动力系数往往无法准确获取,使得依赖这种参数的潜器运动控制算法的应用受到了很大的局限。为了解决控制器对模型参数的依赖,设计了一种基于高阶滑模控制算法的模型无关控制器,并通过设置合理的过渡过程,解决了这种控制算法依赖初值的弊端。仿真结果表明,位置和姿态的控制能够快速的收敛,误差很小并且不依赖于初始条件,控制器需调节参数很少,并且算法简单,适用于工程的实际需要。     

潜艇操纵控制方法的现状与发展

在大量相关文献的基础上,对潜艇空间机动中出现的非线性、两平面运动间的强耦合、参数的时变特性以及近水面时的定深控制等潜艇操纵控制的难点问题及其处理方法进行了分析、探讨和综述。