基于航行状态的多元避碰周界研究

为实现船舶智能航行,建立基于船舶航行状态的多元避碰周界.通过识别船舶航行风险,分析避碰双方的主尺度、航速、航向等多元因素对航行安全的影响机制,提出危险周界和预警周界的解析表达方法,构建面向海上安全航行的多元避碰周界.通过实例分别模拟了多航行状态的船舶和复杂海上障碍物的数字化安全界限,初步验证了多元避碰周界的可行性,可作为船舶避碰决策、船舶智能航行的理论参考.

舰船目标运动状态光学卫星视频监测与估计

光学卫星视频能够进行动目标连续监视,已成为当前研究热点。但目前多数研究仅针对基于视频像方的目标检测、跟踪及轨迹提取等方面,没有充分利用卫星载荷成像几何模型进行物方运动状态定量估计和精度验证。因此,本文提出一种基于光学卫星视频的舰船目标运动状态定量估计方法,首先对卫星视频首帧进行精确定向;然后通过帧间稳像方法得到背景稳定的视频帧序列,在此基础上,针对正框目标跟踪方法定位精度低的问题,提出一种顾及旋转和尺度变化的舰船稳健跟踪方法进行目标跟踪;最后进行物方映射并估计目标运动轨迹、速度和方向。利用吉林一号光学视频卫星开展星海同步观测试验。实测结果表明,稀疏控制条件下的舰船目标几何定位精度为1.60 m,速度估计精度为0.18 m/s,方向估计精度为4.05°,相比同类方法具有显著提升,证明了本文方法的有效性和可行性。

基于嵌入积分滑模策略的船舶运动控制

针对船舶模型的不确定和海浪干扰问题,为实现船舶航向控制,提出了一种嵌入积分滑模控制方法,此方法结合了积分滑模和嵌入滑模的控制思想。积分滑模是用来减小滑模函数的增益,嵌入滑模用来补偿系统匹配和不匹配的扰动。并利用基于极点配置的状态估计方法实现了对高频海浪扰动的滤波。最后进行仿真试验,结果表明设计的控制器具有船舶操纵的良好动态特性,具有超调小鲁棒性强的优点,更适合船舶航向控制的工程要求。

汽车运输船的响应型非线性数学模型

为了建立一个复杂程度适宜、精度满足要求的非线性船舶运动数学模型,用非线性状态空间数学模型做船舶回转试验,采用最小二乘法辨识出船舶的非线性参数,最后用得到的响应型非线性船舶运动数学模型做Z形试验,并与实船试验结果比较.研究结果表明,仿真曲线与实船试验曲线符合度较好,与状态空间模型相比,该模型计算比较简单,所得微分方程可保留非线性影响因素,可以满足进行船舶闭环控制系统仿真研究时对模型精度的要求.

基于IPESN的船舶升沉运动预报方法

船舶在复杂海况下的升沉运动具有很强的随机性与非线性特征,为提高船舶升沉运动的预报精度,提出基于内在可塑性回声状态网络(IPESN)的船舶升沉运动预报方法。将具有内在可塑性的神经元引入回声状态网络(ESN)的储备池结构,以提高网络对动态系统的映射能力;采用岭回归的方法对IPESN输出连接权值进行学习,以提高网络的泛化能力。将IPESN应用于3级、4级和5级海况下的船舶升沉运动极短期预报,并将结果与传统ESN和径向基函数网络(RBFN)进行对比。结果表明,IPESN的平均绝对误差分别为0.0028、0.0039和0.0095;均方根误差分别为0.0035、0.0049和0.0117,优于经典ESN与RBFN的预报精度,验证了改进方法的有效性。

船舶在波浪中运动的非线性耦合方程及其稳态解

在船舶与海洋这个自制系统中，把船舶的运动以及船舶与海洋之间的 相互作用，表示成能量形式的Ｌａｇｒａｎｇｅ函数，用Ｈａｍｉｌｔｏｎ方法推导出船舶 在波浪中三维空间运动的非线性耦合方程，然后用多自由度非线性摄动法 中的多尺度法求解船舶运动方程的稳态解．

基于三维模型的SAR舰船仿真与运动状态识别

针对海面航行舰船的目标检测识别问题,基于射线追踪法进行合成孔径雷达(SAR)舰船目标运动状态的仿真,获得不同运动状态下的舰船目标图像,分析不同舰船目标在静止、切向运动、径向运动、切向加径向运动4种不同运动状态下的SAR图像特征,通过构建卷积神经网络(CNN)对SAR图像的舰船运动状态进行识别,获得目标的运动行为解释。仿真试验结果表明,该识别算法对舰船目标运动状态识别率可达95.54%,验证了算法的有效性。

基于ECDIS的船舶运动态势三维呈现

为保障多船舶近距离作业安全、提高船舶航行监控显示效果,设计和实现了船舶运动态势三维呈现子系统。通过从ECIDS获取船舶与近船目标的位置及运动参数等信息,解算出多船舶的运动态势参数,进而利用OpenGL技术实现船舶运动态势的三维呈现。演示结果表明,该子系统能有效地提供近距离多船舶运动态势的三维呈现,为船舶安全航行和作业提供决策辅助。

舰载机着舰的动力学建模

为了实现舰载机精确着舰时的飞行控制系统设计,应具备完善的舰载机动力学模型。针对已公开的线性扰动模型较为单一且多数不完整的情况,根据舰载机的性能参数和标准小扰动理论,完成了对其着舰阶段的非线性动力学建模,基准状态配平以及纵向运动的线性化,得到能描述舰载机在平静大气和舰尾气流场下着舰的线性模型。根据舰载机的本体特性综合设置数值仿真条件,验证表明线性模型的精度较高。分析了将气流扰动加入线性模型的方法,通过理论分析和仿真比较得出,舰尾流的水平速度分量对线性模型的精度有很大影响,在扰动线性化的过程中不能忽视。

基于混合粒子群算法的船舶稳定性分析

随着我国船舶航运事业的兴起,对保持舰船航行的安全和稳定的要求越来越高。由于船舶航运事业面对的环境复杂多变,传统PID船舶稳定性能分析和控制方法难以对大型风浪引起的船舶摇晃运动系数进行有效分析,无法快速准确的对船舶随机横摇运动外扰力进行计算,不利于船舶航行安全。因此结合混合粒子群算法对船舶稳定性进行研究。首先对船舶航行过程中外扰动因素影响程度进行分析和计算,并设计了船舶稳定性检测和控制系统,从而达到提高船舶航行稳定性的设计目标。为验证该方法的有效性,对比传统PID船舶稳定性检测控制方法进行了仿真实验。实验结果表明,基于混合粒子群算法的船舶稳定性分析方法能够更好地对船舶航行安全、稳定性能和航行状态进行精准判断,保障船舶在复杂海洋环境中的稳定航行。

一种船舶运动状态插值算法

利用向量函数表达船舶时间与空间坐标之间的关系,该向量函数的切线和变化率可反映出船舶的运动方向、速度和加速度等信息。根据已知的船舶动态信息优化船舶运动向量参数,建立船舶运动状态插值模型,从而对任意给定时刻的船舶动态信息进行插值。试验结果表明:船舶运动状态向量函数可以准确地表达船舶运动状态的时空特性;船舶运动状态插值模型不仅可以插值求解任意给定时刻的船舶位置,而且可以插值求解其航向和航速信息,且插值数据精度较高。

船舶运动解耦滤波与控制方法

为了解决动力定位(dynamic positioning,DP)船在复杂海况下的波浪运动滤波与控制问题,根据DP船耦合运动特点和波浪运动模型,提出一种基于Kalman技术的船舶三自由度解耦滤波方法,构建一种基于DP船状态观测方程的船舶动力定位仿真系统,并提出适用于DP船状态观测方程中的传感器噪声协方差矩阵和测量协方差矩阵参数的选择方法。船舶动力定位仿真结果表明,与传统非线性被动式滤波方法相比,本文方法对船舶一阶波浪运动的滤波效果更好,航向滤除了98%以上的一阶波浪运动,北东方向滤除了99%以上的一阶波浪运动,对传感器测量白噪声信号也有较好的抑制作用。对于船舶及其他海洋航行器运动控制技术的研究具有理论意义和工程价值。

带状态观测器的船舶路径跟踪预测滑模控制

为解决具有速度不易测量、模型不确定与外界干扰的欠驱动船舶路径跟踪问题,提出一种结合线性扩张状态观测器(LESO)的滑模控制算法。首先对船舶路径进行预测,据此预测值和参考路径值计算路径未来误差,并基于Backstepping算法设计参考艏向角。其次,采用双曲正切函数设计滑模控制器,对艏向进行控制。引入LESO对外界干扰和不确定参数进行逼近,以提高控制器的鲁棒性。并利用非线性观测器和LESO对船舶纵向速度、横向速度以及转艏角速度进行估计,避免速度不易测量问题。最终的仿真结果验证了所设计控制器的有效性。

大型船舶锚系不良运动状态解决方案

锚系是船舶的重要装置,锚系运转是否正常,直接影响船舶的营运安全。尤其对于大型船舶,锚系的布置复杂。在实际提交锚系的过程中,会出现很多的不良运动状态,而此时锚机、锚链筒、锚唇均已定位安装完毕,调整难度相当大。在实际建造过程中,许多船只收放锚链都出现了问题,经常要耗费很多时间调整,浪费大量人力物力,严重的甚至影响交船。针对已安装好的锚系常见问题进行分析,结合相关的力学分析及现场实际,提出解决方案。从安装工艺和精度控制角度对锚系的安装控制提出要求,也对锚系优化设计提出建议,把问题控制在源头解决。

考虑横向漂移的船舶路径跟踪自抗扰控制

针对船舶运动系统中内部动态不确定和外部干扰等问题,进行了欠驱动船舶路径跟踪的自抗扰方法研究。利用Backstepping设计参考航向角,并利用线性扩张状态观测器对流干扰和横向运动引起的横向漂移进行估计。根据自抗扰算法对航向进行控制,采用线性扩张状态观测器对外界干扰及内部不确定项进行估计。最后的仿真结果表明,在风流干扰下所设计的控制器仍能使船准确地跟踪上参考路径,验证了所提控制方案的有效性。

基于多输入海况条件下的船舶运动模型分析

建立静水船舶操纵运动方程,加入风浪流的干扰和作用力,建立风浪流作用下的船舶操纵性运动方程。通过对船舶不同舵角下的旋回运动进行仿真试验,得出其的回转操纵性能与舵角的关系曲线。通过数据分析表明:随着回转操纵舵角的增大,该船舶旋回运动轨迹的漂移距离将减小,但减幅逐渐减小。通过研究船舶在风浪流干扰下的仿真运动,可以充分发挥出其操纵性能,进而提高大洋航行和港口靠泊的效率与安全性。

粘性和航行姿态对高速船运动预报的影响

发展了基于二维半理论的预报排水型单体船在波浪上的水动力特征及运动性能的方法。采用横向流方法对常规高速排水型单体船所受的粘性影响进行修正。在考虑粘性影响和航行姿态的条件下,对NPL系列单体船和SER IES64单体船型的运动性能作了理论预报,并与船模试验结果和势流理论预报结果作了比较。结果表明:考虑粘性影响能够在一定程度上降低高速常规排水型船舶运动预报的峰值,而航行姿态对其影响不大。

响应型船舶运动数学模型的构造

论述了响应型船舶运动非线性数学模型,相对于状态空间模型,该模型计算比较简单,但所获的微分方程仍可保留非线性影响因素,可以满足进行船舶闭环控制系统的仿真研究时对模型精度的要求.针对大连海事大学"育龙"号实习船进行了仿真试验,用VisualBasic6.0编程实现.试验结果表明,响应型非线性数学模型与Norrbin非响应型非线性数学模型的回转试验轨迹基本重合.

船舶耐波性理论在航海中应用的探讨

对半个世纪以来，船舶耐波性理论的发展以及在造船中的应用作了概括地回顾，并对该理论应用于航海技术作了探讨。

基于回声状态网络的船舶横摇运动预报

针对普通的递归神经网络训练过程较复杂,而且存在记忆渐消等问题,提出一种基于回声状态网络的船舶横摇运动预报方法.该网络将隐层设计成一个巨大的动态记忆库,具有记忆功能,隐层中的神经元在学习过程中不进行权值调整,而通过线性回归的方式训练网络,使网络记忆功能加强,学习速度加快.运用该网络对某型船舶在海浪遭遇角为90°海况下的横摇运动进行预报.结果表明:回声状态网络训练简单,加速了网络的训练速度,有更好的记忆性能,以预报60步为例,回声状态网络和对角递归神经网络预报的均方根误差分别为0.003 9和0.024 9,提高了近8倍,在相同的预报精度下,回声状态网络的预报时长明显增长,验证了该方法的可行性与有效性.