基于DVS制导的船舶鲁棒自适应航迹舵设计与实现

作     者：李博 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张国庆

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：航迹舵 NMEA0183 DVS制导策略 鲁棒自适应控制 航迹控制 

摘      要：当前航运业与造船业朝着智能、绿色、安全的方向进行发展与转型,智能船舶成为世界各国的重点研究方向,相关机构通过加大对人工智能技术、现代通讯技术的应用力度,增强船舶航行设备的自动化及智能化程度。船舶航迹舵(Navgation Autopilot,NAVpilot)作为船舶驾驶台的核心关键设备,承担着船舶环境感知、在预定计划航线准确航行的任务,能够减少船舶长时间全球航行任务下的船员工作强度及船舶航行能耗,提升船舶航行安全性。本文综合分析船舶航迹舵研究现状,考虑智能船舶背景下的船舶驾驶人员使用需求,围绕船舶航迹舵的组成架构、航迹舵系统软件、船舶鲁棒自适应航迹控制算法三部分内容开展研究与设计。首先,根据船舶自动操舵系统的工作原理,提出了由人机交互单元、信息感知单元、指令控制单元、数据存储单元及核心计算单元五部分组成的航迹舵总体设计方案,同时综合考虑全球范围内各年限在航商船设备状态及驾驶台接口环境,进行航迹舵硬件组成架构、通讯协议及接口、外观及结构设计。其次,围绕GB/T37417-2019、GB/T 5743-2010等国家标准,研究分析了航迹舵系统在船舶航行操纵、航迹监控和控制、数据管理和参考、信息提供与显示、状态监测及报警等方面的功能需求,进行航迹舵航行操纵模式、数据管理与通讯、状态监测及报警、系统菜单及参数设置、航线编辑与添加等航迹舵软件功能的设计,并在Windows环境下应用***与VC++混合编程语言进行航迹舵软件编译与实现。其中,航行操纵模式采用间接式航迹控制方案,航迹制导环节采用基于航路点的DVS(动态虚拟船型)制导算法,航向控制环节采用具有事件触发机制的鲁棒自适应控制算法。最后,通过船舶控制半实物仿真测试平台,在随机海洋环境干扰条件下,根据GB/T37417-2019国家标准,应用大连海事大学“育鹏轮船舶数学模型,进行船舶在0/0的复杂航迹(20kn)、船舶在0/180的复杂航迹(10kn)、船舶在65/0的“Z形航迹(20kn)、船舶恒向线/大圆大西洋航迹(波士顿至鹿特丹)(20kn)四个测试场景下的航迹舵整体功能测试,测试过程航迹舵各部分功能运行稳定,各项参数符合标准限值,实现预期功能。本文所设计的航迹舵具有信息显示简洁美观、功能丰富使用简单、算法鲁棒性强精度高等特点,对具有自主知识产权的高技术高附加值船用航行配套装置设备的研发及规模化工程应用具有重要意义。