狭窄弯曲航段自动航迹控制方法研究

针对狭窄弯曲航段人工操船难度较大的问题,研究该环境下的自动航迹控制方法。为优化传统PID控制参数,引入最优控制策略,提出最优PID航向控制方法,可随船速和外界环境的变化实时调整PID参数。为精确控制航速以提高舵效,提出基于二分法的航速控制方法。考虑航向、航速控制二者的耦合关系,提出基于模型预测和反馈补偿的航迹控制方法。以蓝塘海峡出港航道为实验水域,在该水域分别进行了静水和环境干扰下的对比仿真实验。结果表明：静水中最优PID的最大航迹偏差为2 m,传统PID的最大航迹偏差为8 m,最大航速偏差为0.21 kn;风速12 m/s、波幅3 m、流速1.2 m/s环境干扰下,最优PID的最大航迹偏差为23 m,传统PID的最大航迹偏差为48 m,最大航速偏差为0.25kn;航迹控制方法与“先减速再加速”、“挂高取矮”等实践做法相一致。     

船舶AIS轨迹快速自适应谱聚类算法

为了对船舶AIS轨迹数据进行快速聚类,本文提出了一种基于Hausdorff距离的船舶轨迹快速自适应谱聚类算法(fast self-tune spectral clustering,FSSC)。在保留轨迹特征的情况下,利用Douglas-Peucker(DP)算法对船舶轨迹数据进行预处理;基于Hausdorff距离,设计自动选取尺度参数的相似度度量函数,构造相似度矩阵并采用谱聚类算法对船舶轨迹进行聚类。以长江口水域船舶实际AIS数据为样本对算法进行了验证,结果表明:聚类结果能够准确提取水域船舶主要航路,算法消耗系统资源少,计算速度快。该方法对水域船舶主要航路识别,提高海事监管效率等方面具有参考意义。     

考虑舵机延时的船舶最优航向控制器设计

船舶舵机延时、外界环境干扰、船速变化等因素均会影响船舶航向控制器的性能。Smith预估器对纯延时系统具有较好的补偿效果,最优PID统筹航向控制和舵角变化频率,可随船速和外界环境变化自适应调整PID参数。结合二者设计改进Smith最优PID航向控制器,并分别进行静水匀速、静水变速、环境干扰中固定转速、环境干扰中变化转速条件下的实验仿真。结果表明,改进Smith最优PID航向控制器在船首向稳定时间、大舵角持续时间、舵角变化频率等指标上均优于现有模糊PID控制器。     

成山角水域动态自适应自主航行决策方法

为研究成山角分道通航制水域船舶自主航行方法，本文数字化了该水域交通环境，探究了碰撞危险度量化模型和动态避碰机理。建立了耦合船舶航向控制方法、非线性操纵运动模型和航线跟踪方法的自动航行模型。基于时序滚动提出了能适应目标船机动和自校正误差的自主航行决策方法，该方法考虑了避碰规则和良好船艺的要求。实验结果表明：本船可让清所有目标船并按计划航线航行；预设场景中，本船在31 s、3 762 s右转14°、5°可安全通过。本文提出的方法可为分道通航制水域的自主航行提供理论基础。