水面无人艇

摘要： 无人水面艇的研究正成为海洋装备领域日益热门的研究热点,为了使水面无人艇更自主和更智能,路径规划是一项关键技术。自上世纪提出路径规划算法以来,其得到了长足进步并取得了丰硕成果,尤其是全局路径规划算法,包括传统路径规划算法和智能仿生学路径规划算法。本文基于这两个大类(着重传统算法),罗列其中经典算法,对于基本思想、优缺点以及部分算法的改进算法进行了归纳。最后,提出了未来开发水面无人艇全局路径规划算法的瞻望。

摘要： 为了能够更好地适应水面无人艇复杂的跟踪情况,针对fDDST算法不能处理水面目标被严重遮挡和视野中丢失目标以及帧间目标位置发生突变的问题,对原fDSST算法进行大部分改进。改进水面红外目标搜索区域的方法,将Edge boxes与水天线结合,限定目标检索区域;并结合目标速度和尺度的变化对原算法中滤波器模版的更新率进行改进,同时考虑最大响应值和峰值波动情况对滤波器更新机制进行调整。实验结果证明,改进后的算法能够适应帧间目标大范围的突变和严重遮挡的问题,能保持较好跟踪效果而不跟丢,提高了跟踪算法的鲁棒性,加快了跟踪速度,并且对常见目标跟踪问题仍有很好的跟踪性能。

摘要： 随着近年来智能技术和机器人技术的发展,水面无人艇的研究取得了较大的进步。无人艇集群的协同与编队技术是其能够高效完成任务的关键,也是当前研究中的难点问题。无人艇集群的协同与编队并不仅指无人艇数量上的简单增加,而是一个涵盖控制、导航、通信等问题的复杂概念。因此,本文针对无人艇集群协同及编队问题展开研究。首先,本文介绍了无人艇的优势、特点及今后的发展方向。其次,本文梳理了无人艇集群协同技术的关键问题,包括协同导航、路径规划和任务分配。最后,本文分析了无人艇编队技术当前存在的问题,包括通信保障、队形控制和环境适应策略。

摘要： 本文研究双通道事件触发通讯机制下水面无人艇(USV)的同时故障检测和控制(SFDC)问题.考虑执行器故障和外部扰动,建立了SFDC框架以同时实现控制和故障检测目标.为了节约有限的通信资源和系统能源,在传感器–控制器通道和控制器–执行器通道分别部署了积分型事件触发器.在事件触发的通讯机制下,提出了故障检测器和控制器的联合设计准则.最后,USV的仿真结果验证了提出的基于事件触发的SFDC方法的有效性.

摘要： 目前军、民领域水面无人艇发展迅速,其收放技术是其能否大力推广的关键技术之一。通过对比水面无人艇与有人驾驶工作艇收放方式的差异,可为水面无人艇收放技术发展提供思路。

摘要： 水面无人艇对舰艇的威胁与日俱增,传统舰炮武器对水面无人艇进行打击存在射击精度低、效费比高等不足,基于末端敏感技术的舰炮末敏弹打击水面无人艇方案应运而生。为研究舰炮末敏弹对各型水面无人艇单目标的射击效能,基于舰炮末敏弹作用原理及当前末敏弹性能参数水平,建立了射击效能计算模型,仿真计算结果表明舰炮末敏弹对4型无人艇水面艇平台的单目标捕获概率为56.4%~60.6%、命中概率为43.5%~58.1%;研究分析了扫描平台参数、末敏子弹弹着点散布、敏感器定位精度、EFP散布、环境风速对末敏子弹打击其理论扫描区域内各型无人艇目标射击效能的影响,对舰炮末敏弹的论证、设计、研制及作战运用具有重要的参考价值。

摘要： 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。

摘要： [目的]针对由无人机(UAV)与水面无人艇(USV)组成的异构无人集群系统,研究其在海上搜救过程中的三维协同路径跟踪控制问题。[方法]首先,在固定坐标系和机体坐标系下建立UAV和USV的运动学模型,同时建立流体坐标系,以设计适宜运动控制的三维路径跟踪控制器,并在Serret-Frenet坐标系下建立UAV和USV的路径跟踪误差模型;然后,在运动学层面设计三维视线(LOS)制导律,并基于此提出一种适用于异构海洋航行器集群的协同路径跟踪控制方法,从而使UAV与USV组成的集群系统可以有效跟踪设定的参数化路径;最后,基于李雅普诺夫稳定性理论分析该控制系统的稳定性。[结果]仿真结果验证了所提异构海洋航行器集群协同路径跟踪控制方法的有效性。[结论]研究成果可为面向海上搜救的无人航行器集群协同路径跟踪控制方法提供参考。

摘要： 同步定位与建图技术一直以来都是无人艇导航的一个热门研究方向,通过使用相机来获得周围环境信息以及定位自身位置。本文罗列了近年来出色的视觉SLAM算法和视觉惯导SLAM算法,系统的梳理了算法的优势与不足,同时归纳了SLAM算法的最新研究进展。最后,探讨了SLAM技术的发展趋势。

摘要： 为进行水面无人艇运动姿态数据采集与可视化监测,基于LoRa设计研发了水面无人艇远程数据采集系统。该系统能够实现卫星定位及船舶六自由度运动姿态数据的采集,通过LoRa通信模块实现数据远程发送与接收,并基于上位机对位姿数据进行可视化展示,实现水面无人艇位姿远程数据可视化监测。最终实验结果显示,系统各项功能稳定运行,数据采集及传输功能平稳,上位机所展示的可视化界面清晰直观,效果良好。该系统的数据采集、处理、传输、显示与保存等功能的实现,能够为无人艇操纵运动建模、基于运动模型的自动控制系统设计、航海仿真系统中以数据驱动目标船舶、无人艇远程岸基运动监测与指挥等提供数据支持,为水面无人艇的技术发展、科研与教学实验等提供技术支持。

摘要： 水面无人艇航行及任务载荷复合控制方法将原本分离的任务控制与航行控制有机地结合在一起,组成了一个闭环航行及任务控制系统,实现了复合控制.设计航行及任务载荷复合控制单元,根据任务控制输出的指向误差及水面无人艇航行状态,令核心的智能耦合控制单元做出控制决策,自动输出任务控制修正命令与航行控制命令,平衡任务执行与航行安全的关系,提高了任务控制的精度.智能耦合控制单元具有机器学习能力,可通过任务执行,对智能化机器学习模型进行训练,实现航行及任务载荷复合控制策略的持续优化.

摘要： 为了有效提升水面无人艇(USV)全局航迹规划算法的性能,从多目标优化的角度就USV的全局航迹规划问题展开研究.以电子海图为基础构建了栅格化环境模型,提出了USV全程航迹规划的多目标约束优化数学模型,采用距离函数和双惩罚函数对约束条件进行处理,并引入Pareto强度和最小代沟模型,设计了一种基于多目标遗传算法的全局航迹规划算法.实验结果表明算法能够有效兼顾多个优化目标,为USV规划出性能更优的全局航迹.

摘要： 基于多水面无人艇(USV)的任务场景,分别从协同搜索、协同水文气象监测和其他多任务场景的协同作业三个方面,对多水面无人艇的协同作业策略进行了阐述和初步分析;然后讨论了水面无人艇协同系统与多无人平台间的协同体系,最后总结了多水面无人艇协同作业系统的优势,为多USV协同作业策略的深入研究提供参考与借鉴.

摘要： 水面无人艇具有诸多优势,可降低载人兵力风险,执行常规水面舰艇不能或难以完成的任务,必将在海军联合作战、远洋作战中发挥重要作用.本文介绍了水面无人艇的国内外发展现状,分析了其适应不同作战任务的能力需求,探讨了系统集成、环境感知、智能控制、无线通信等水面无人艇实现的关键技术.

摘要： 设计了一种符合国际海上航行规则的相对坐标系下动态规避方法,以处理水面无人艇的危险规避问题.根据国际海上航行规则将碰撞局面划分为追越、交叉相遇、正面相遇3种局面.计算相对坐标系下相对速度的改变量,并通过改变无人艇的航速和航向,完成对障碍物的危险规避.搭建了无人艇半实物仿真试验平台,以方便快捷地验证危险规避系统的可行性和可靠性.大量半实物仿真试验结果表明,基于所设计的无人艇危险规避方法可以有效地完成静止或运动障碍物的危险规避任务,规避航线合理,满足无人艇规避系统的要求.

摘要： 提出一种水面无人艇近程反应式危险规避算法。通过分析水面无人艇的运动特性，计算出水面无人艇当前动态窗口，采用弧线法对周围环境中障碍物进行处理，并将规避行为选择的多目标优化问题转化为一个单目标优化问题，通过快速搜索水面无人艇的动态窗口获得一组最优解。实验证明此方法具有快速性、稳定性和可靠性，能够胜任水面无人艇在复杂海洋环境中进行快速反应式危险规避。

摘要： 针对混合主动交互的水面无人艇(USV)系统体系结构设计问题,提出一种基于智能体的可变自主系统体系结构模型(MAAF).该模型分为USV可变自主部分、系统用户分析部分以及系统交互推理部分的设计和实现,并采用Agent信念-愿望-意图模型建立系统用户和USV的交互推理过程.最后,利用仿真实验验证,结果表明该系统结构模型满足混合主动交互和分布式与分层式相结合的决策要求,并且合理有效.

摘要： 水面无人艇是国际研究热点,为了有效弥补单一无人艇在高度动态的水域里较难和无法完成复杂的任务,本文提出了水面多无人艇协同作用,包括多无人艇编队及协同策略,运用了无人艇智能控制技术、自主避碰技术、通信传输技术等,开展了一系列实验,包括各艇的操纵性实验、快速性实验、静水横摇实验、无人艇协同实验等.通过对实验现象的观察和对实验结果的分析,成功地实现了水面多无人艇的协同作业.同时论述了将水面多无人艇协同作业用于水面搜救的可行性和应用性.

摘要： 针对水而无人艇(USV)在复杂海洋环境下执行任务时需要用户进行干预的问题,本文提出了基于逆向强化学习的行为模仿学习方法.该方法将专家的示教作为学习目标,使得USV能够从专家示教中学习导航行为.首先根据导航任务的应用背景,建立了向专家行为模仿学习的Markov决策模型,然后给出了适用于USV导航行为学习的行为模仿学习算法,该方法基于逆向强化学习根据专家的示教行为计算出具体的回报函数,并得到接近专家策略的最优导航策略.最后经过仿真实验验证,本文所提出的方法能够使USV从专家示教中学习到恰当的导航行为,并从专家示教中获得用户偏好,验证了本方法的有效性.

摘要： 本发明公开一种用于水面无人艇布放回收的吊放式防脱离艇架，包括连接一体的主支撑架、自平衡吊架和自锁防脱装置；主支撑架包括前挡板限位器、U型托架和支撑地架，主支撑架两翼内侧分别固定有柔性侧挡板，外侧固定自锁防脱落装置；自平衡吊架固定在柔性侧挡板上，包括活动杆、支撑杆和平底V型吊顶，自锁防脱落装置包括前挡板、前连杆、长连杆、后三角、后连杆、后挡板和自动门锁，且前、后挡板设置有柔性缓冲器。本发明通过自平衡吊架在起吊时平衡无人艇与艇架姿态，通过防脱离自锁装置将无人艇进行固定防止起吊后无人艇脱离，这样设计方便了母船在航行过程中对水面无人艇的布放和回收。

摘要： 本申请涉及船用设备技术领域，尤其涉及一种水面无人艇应急控制装置，包括，便携式基站应急控制单元和艇载应急控制单元；便携式基站应急控制单元包括第一控制器；艇载应急控制单元包括相互连接的数据通道选择器和第二控制器；所述第一控制器，用于向所述第二控制器发送所述控制指令，以控制所述水上无人艇的行驶航线；所述数据通道选择器，用于将所述水面无人艇的传输数据切换至所述第二控制器；所述第二控制器，用于根据所述控制指令，控制所述水上无人艇的行驶航线。通过本申请提供的装置，在水面无人艇失控时，无需通过保障艇拉回水面无人艇，实现水面无人艇快速返航，降低维护成本，同时提高水面无人艇返航过程中的安全性能。

摘要： 本发明公开了一种用于水面无人艇的自动/手动控制信号切换电路，其主要目的在于解决远处无人艇的自动和手动控制信号的人为自由切换问题，保证了在自动驾驶控制失效的情况下，可以人为接管推进器的控制信号，实现手动操作无人艇的目的。所述的电路包括电平转换单元、逻辑处理单元和逻辑电平触发开关三个部分。本地电台等外部设备输出的数字信号经电平转换单元后变换成电路可识别的LVTTL逻辑信号，逻辑处理单元接收到该信号后立即做出对应的电平变换响应并保持，以触发和保持后路电平触发开关的通断。本发明所公开的控制信号切换电路，结构简单，成本低，体积小，易操作，因避免使用单片机等可编程控制单元切换信号，大大提高了电路切换效率和稳定性。

摘要： 本发明公开了一种基于李亚普诺夫函数差分的水面无人艇事件触发控制方法。步骤包括：步骤1，建立离散水面无人艇控制系统的离散时间状态空间模型；步骤2，利用李雅普诺夫函数的差分构造新的事件触发机制，基于输入状态稳定技术分析闭环事件触发控制系统的稳定性；步骤3，证明基于李亚普诺夫函数差分的事件触发策略比传统事件触发策略具有更大的触发间隔，采用所设计的事件触发策略进行水面无人艇的控制。与传统事件触发机制相比，本专利给出了一种具有更大平均触发间隔的新型事件触发机制，有效减少了冗余控制信号传输，节约网络带宽与节点能量，提升水面无人艇的续航能力，具有一定的工程应用价值。

摘要： 本发明公开了一种基于自抗扰控制的水面无人艇路径跟踪控制系统，包括上位机控制系统以及下位机运动控制系统，下位机运动控制系统利用自抗扰控制器进行水面无人艇的运动控制，在自抗扰控制器的扩张状态观测器中利用kead函数作为非线性函数，同时在扩张状态观测器后连接滤波函数，利用滑动平均低通滤波的方式消除所述扩张状态观测器生成的干扰观测值的抖振，最后利用灰狼优化算法优化自抗扰控制器的参数，提升控制系统的综合控制性能和稳定性。

摘要： 本发明公开了一种基于固定时间H∞控制的水面无人艇轨迹快速跟踪控制方法，包括步骤：S1、建立包括运动学和动力学模型的水面无人艇控制系统；S2、基于运动学和动力学模型，搭建水面无人艇轨迹跟踪误差模型；S3、基于水面无人艇运动学和动力学设计固定时间扩张状态观测器；S4、建立固定时间H∞控制器；S5、基于水面无人艇轨迹跟踪误差模型、固定时间扩张状态观测器和固定时间H∞控制器设计辅助控制器建立动态系统；S6、基于动态系统设计固定时间H∞轨迹跟踪控制器，并进行稳定性分析。本发明不仅提高了水面无人艇控制系统的鲁棒性，而且系统的收敛时间不依赖系统初始值，在保证跟踪误差快速收敛的前提下，系统具有较高的稳定性。

摘要： 本发明公开了一种水面无人艇航控系统，属于无人艇航控技术领域，解决仅涉及单项技术的控制系统的无人艇在执行任务时存在局限性问题。本发明的一种水面无人艇航控系统包括：路径跟踪模块、虚拟引导模块、动力定位模块和底层控制器；路径跟踪模块用于根据接收到的任务路径，生成航行规划路径信息发送给底层控制器；虚拟引导模块根据任务移动引导点，生成航行规划移动引导信息发送给底层控制器；动力定位模块根据任务固定定位点，生成航行规划动力定位信息发送给底层控制器；底层控制器用于根据路径跟踪模块、虚拟引导模块和动力定位模块，结合当前位姿信息获取期望舵角和期望油门，对无人艇进行控制。本发明适用于欠驱动无人艇的自主控制系统。

摘要： 本发明涉及无人艇智能控制技术领域，具体涉及一种水面无人艇自主避障方法，包括：建立避障区域模型：以无人艇为圆心，将整个航行区域由内至外依次划分为禁区、紧急避障区、常规避障区和安全区域；常规避障：常规避障区内有障碍物闯入时，采用直线控速法进行避让；紧急避障：当常规避障失败时启用，紧急避障区内有障碍物闯入时，采用人工势场法计算期望航向，进行避让。本发明通过常规避障和紧急避障的联合运用，可以实现多重规则下的障碍船只避碰。

摘要： 本发明提供一种水面无人艇远程控制系统，包括艇载控制子系统和岸基网络控制子系统，其远程运动控制方式具有较好的实时性、操作性、稳定性、实用性和推广性。具体的，所述艇载控制子系统包括控制器、通讯终端设备和移动网络设备。所述控制器控制推进电机和数字舵机，并采集和处理导航数据。所述控制器和通讯终端设交互。所述通讯终端通过网络连接云服务器和所述移动网络设备。所述岸基网络控制子系统安装在所述移动网络设备上，包括USV网络监控界面，所述USV网络监控界面包括无人艇电池组、推进系统、航行海况、USV位置的实时及历史运行数据。

摘要： 本发明一种基于改进人工势场法引导的Bi‑RRT算法的水面无人艇路径规划方法，属于人工智能技术领域，包括如下步骤：获取无人艇航行信息，确定无人艇的起始点和目标点；基于改进的人工势场法引导的Bi‑RRT算法相互交错地构建双向的起始点扩展树和目标点扩展树；当起始点扩展树和目标点扩展树满足相遇条件时，则从相遇连接处分别向起始点扩展树和目标点扩展树回溯，得到无人艇安全平滑的全局路径，本申请设计一种改进人工势场法引导的Bi‑RRT算法，根据无人艇的水上作业信息，确定航行水域范围信息和起始点目标点位置信息，预先为无人艇设计一条避障精准性高、平滑度优、航程短的路径。