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基于视觉深度预测的水下航行器自主强化控制研究

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基于视觉深度预测的水下航行器自主强化控制研究

作者：朱鹏莅大连海事大学

学位级别：硕士

随着人类对海洋开发和认识的逐步深入,视觉水下航行器已成为探索海洋的关键设备,并广泛应用于水下搜救、勘测及海洋生物监测等任务。视觉环境感知作为视觉水下航行器获取、分析和认知所处环境的重要手段,通过处理和反馈视觉信息辅助水... 详细信息

随着人类对海洋开发和认识的逐步深入,视觉水下航行器已成为探索海洋的关键设备,并广泛应用于水下搜救、勘测及海洋生物监测等任务。视觉环境感知作为视觉水下航行器获取、分析和认知所处环境的重要手段,通过处理和反馈视觉信息辅助水下航行器自主控制决策,保障了决策的正确性及水下航行器的安全性。在不同水下任务下环境感知与自主控制决策的实时性存在差异,不匹配的感知和控制方案会造成状态提取与控制决策的异步,无法保障水下航行器自主航行控制的鲁棒性,严重时甚至造成控制系统的失稳导致任务失败。在此背景下,本文以水下航行器为研究对象,以离散视觉（图像）和连续视觉（视频）感知条件下的自主强化控制决策为目标,利用深度学习通过环境数据驱动获取感知特征,利用强化学习通过航行状态驱动获取动作决策,进而满足水下航行器自主感知与分析、决策与控制一体化的自主航行需求,主要研究工作如下:论文在论述了水下航行器及其智能感知与决策算法的发展与研究现状的基础上,阐述了深度强化学习算法的原理。针对离散视觉的水下环境深度预测,设计了一种具备离散深度特征信息提取功能的全卷积残差网络,在编码器—解码器的神经网络架构下,结合残差学习和监督学习,解决了水下环境离散视觉深度预测的边缘模糊和细节缺失问题。考虑到连续视觉帧间变化造成的视觉错位问题,设计了一种具备连续深度特征信息提取功能的视差估计网络,在图像深度特征信息提取的基础上,引入自我运动评估网络实现相邻帧图像匹配,解决了水下环境连续视觉的深度预测延迟问题。面向水下离散视觉感知的自主离散控制,设计了一种基于竞争式深度双重Q网络的自主强化控制网络,采用Q值强化学习为基础控制框架,以离散深度图作为状态信息输入,通过卷积神经网络提取状态信息,结合贪婪竞争学习和在线训练机制,实现了水下航行器的自主离散决策控制。针对连续视觉感知条件下的自主连续决策控制,设计了一种基于深度确定性梯度策略的自主强化控制网络,在“决策-评价”强化学习的控制框架下,以连续深度视频作为状态信息输入,通过深度神经网络模拟策略和Q值计算,结合Q值强化学习的在线训练机制,解决了水下航行器的自主连续决策控制问题。结合相应离散和连续视觉感知和自主强化控制方法,进行了联合仿真训练和实际试验,实验结果表明提出的自主强化控制方法能够实现视觉感知条件下的水下航行器自主控制和导航避碰功能,兼具高精度、强鲁棒等优点,验证了所提方案的有效性和实用性,为浅水域水下航行器的应用提供了一种新思路。

关键词：水下航行器单目视觉深度预测自主强化控制深度强化学习

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基于特征解耦的无监督水下图像增强

电子与信息学报 2022年第10期44卷 3389-3398页

作者：刘彦呈董张伟朱鹏莅刘厶源大连海事大学轮机工程学院大连116026 大连海事大学船舶电气工程学院大连116026

水介质的吸收和散射特性致使水下图像存在不同类型的失真,严重影响后续处理的准确性和有效性。目前有监督学习的水下图像增强方法依靠合成的水下配对图像集进行训练,然而由于合成的数据可能无法准确地模拟水下成像的基本物理机制,所以... 详细信息

水介质的吸收和散射特性致使水下图像存在不同类型的失真,严重影响后续处理的准确性和有效性。目前有监督学习的水下图像增强方法依靠合成的水下配对图像集进行训练,然而由于合成的数据可能无法准确地模拟水下成像的基本物理机制,所以监督学习的方法很难应用于实际的应用场景。该文提出一种基于特征解耦的无监督水下图像增强方法,一方面,考虑获取同一场景下的清晰-非清晰配对数据集难度大且成本高,提出采用循环生成对抗网络将水下图像增强问题转换成风格迁移问题,实现无监督学习;另一方面,结合特征解耦方法分别提取图像的风格特征和结构特征,保证增强前后图像的结构一致性。实验结果表明,该方法可以在非配对数据训练的情况下,能够有效恢复水下图像的颜色和纹理细节。

关键词：水下图像增强特征解耦生成对抗网络无监督学习

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采用高频注入法的直流微电网无通信均流控制

电网技术 2022年第6期46卷 2348-2355页

作者：庄绪州刘彦呈张峰魁曾宇基朱鹏莅大连海事大学轮机工程学院辽宁省大连市116026

基于注入低频交流电压的DC-DC变换器f-I下垂控制实现了无通信均流控制,但仍存在暂态性能差的问题。在分析注入频率大小对均流控制动态性能影响的基础上,将高于闭环截止频率的交流电压小信号注入到DC-DC变换器的电压中,提高无功补偿环节... 详细信息

基于注入低频交流电压的DC-DC变换器f-I下垂控制实现了无通信均流控制,但仍存在暂态性能差的问题。在分析注入频率大小对均流控制动态性能影响的基础上,将高于闭环截止频率的交流电压小信号注入到DC-DC变换器的电压中,提高无功补偿环节的反应速度并改善系统动态均流性能。设计了交流电压稳压器,抑制电压闭环对注入信号的衰减作用,保持注入高频交流小电压幅值稳定。利用小信号模型分析了均流控制性能和稳定性。StarSim硬件在环实验表明,基于高频注入法的均流方法显著提高了动态调节速度。

关键词：直流微电网均流控制高频注入法下垂控制

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基于虚拟频率的直流微电网下垂控制策略

电工技术学报 2021年第8期36卷 1693-1702页

作者：刘彦呈庄绪州张勤进朱鹏莅郭昊昊大连海事大学轮机工程学院大连116026

在直流微电网的传统下垂控制中,电路参数及线路阻抗的不一致造成DC-DC变换器下垂特性均存在差异,降低了变换器的均流精度。下垂控制还会造成一定程度的直流母线电压跌落。为了提高直流微电网的控制性能,模拟交流微电网的频率下垂控制机... 详细信息

在直流微电网的传统下垂控制中,电路参数及线路阻抗的不一致造成DC-DC变换器下垂特性均存在差异,降低了变换器的均流精度。下垂控制还会造成一定程度的直流母线电压跌落。为了提高直流微电网的控制性能,模拟交流微电网的频率下垂控制机理,提出一种基于虚拟频率的多DC-DC变换器下垂控制方法。在控制器中构造了频率与输出电流成比例的虚拟交流量,利用低带宽通信共享各变换器的虚拟频率并求出平均值。该平均频率及虚拟交流量进一步用于产生虚拟无功功率以调整变换器的电压设定点,协调各变换器输出电流的大小。在不造成母线电压跌落的前提下,提高了多变换器间的负载电流分配精度。利用小信号模型分析虚拟频率下垂控制的闭环稳定性。最后,通过仿真和基于Starsim和dSPACE快速原型样机的实验,验证了该方法的有效性。

关键词：直流微电网虚拟频率下垂控制并联均流 DC-DC变换器

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两相混合式步进电机的滑模伺服控制研究

微电机 2020年第10期53卷 58-63页

作者：吕寅新郭昊昊刘彦呈许晨朱鹏莅大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

为了提高步进电机控制系统的动静态性能与系统鲁棒性,将滑模变结构控制引入步进电机的伺服控制系统中,设计两相混合式步进电机八扇区SVPWM分配方式,并设计滑模控制器使系统控制性能得到明显改善。利用Matlab/Simulink将其与工业上常用... 详细信息

为了提高步进电机控制系统的动静态性能与系统鲁棒性,将滑模变结构控制引入步进电机的伺服控制系统中,设计两相混合式步进电机八扇区SVPWM分配方式,并设计滑模控制器使系统控制性能得到明显改善。利用Matlab/Simulink将其与工业上常用的细分控制方式进行对比仿真验证,结果表明滑模变结构控制与工业上使用的细分控制方式相比,具有响应快、抗扰动强、转矩波动小等优点,由此说明了滑模控制在步进电机伺服控制系统中的优越性。

关键词：两相混合式步进电机八扇区SVPWM 细分控制滑模控制

基于多域属性表征解耦的水下图像无监督可控增强

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水下无人系统学报 2024年第5期32卷 808-817页

作者：周世健朱鹏莅刘厶源陈瀚大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026

水下图像无监督增强技术多面向特定失真因素,对于水下多类失真图像适应性略显不足;图像的内容属性(结构)会随风格属性(外观)迁移变化,导致增强效果不受控,影响后续环境感知处理的稳定性和准确性。针对这一问题,文中提出一种基于多域属... 详细信息

水下图像无监督增强技术多面向特定失真因素,对于水下多类失真图像适应性略显不足;图像的内容属性(结构)会随风格属性(外观)迁移变化,导致增强效果不受控,影响后续环境感知处理的稳定性和准确性。针对这一问题,文中提出一种基于多域属性表征解耦(MARD)的水下图像无监督可控增强方法。首先设计多域统一的表征解耦循环一致对抗变换框架,提高了算法对多失真因素的适应性;其次构建双编码-条件解码网络结构;最后设计了MARD的系列损失,提高了质量、内容、风格等属性表征的独立表达性和可控性。实验结果表明,所提算法不仅可以消除水下图像的色差、模糊、噪声和低光照等多类失真,还可通过线性插值的方式量化图像风格码对水下图像进行可控增强。

关键词：水下图像增强多域属性表征解耦无监督失真特征插值

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风帆助航船舶能效控制系统研究

交通节能与环保 2018年第5期14卷 29-33页

作者：池华方周健朱鹏莅大连海事大学轮机工程学院辽宁大连116026 大连海事大学航海学院辽宁大连116026

本文为30万吨原油油轮设计风帆助航能效控制系统及风帆布置方案。在风帆受力分析基础上进行风洞试验,通过不同风速、风向情况下的最大升力系数与合力系数建立最佳帆角数据库。根据数据库数据自动进行偏航、横摇死区判定,并根据输出帆角... 详细信息

本文为30万吨原油油轮设计风帆助航能效控制系统及风帆布置方案。在风帆受力分析基础上进行风洞试验,通过不同风速、风向情况下的最大升力系数与合力系数建立最佳帆角数据库。根据数据库数据自动进行偏航、横摇死区判定,并根据输出帆角指令进行转帆。风帆助航系统可有效减少船舶油耗、降低EEOI计算值,实现船舶能效优化的目标。

关键词：风帆助航能效控制最佳帆角 EEOI

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一种鲁棒的无人机影像光伏板自动定位方法

激光与光电子学进展 2025年

作者：高博浩李浩朱鹏河海大学地球科学与工程学院

在无人机光伏巡检中，为实现光伏组件故障定位，需获取影像内光伏板的位置信息。小型无人机机载POS数据受自身技术等影响导致精度较低，难以用于小型无人机影像的光伏板定位。针对这一问题，本文提出一种无人机影像光伏板自动定位方法... 详细信息

在无人机光伏巡检中，为实现光伏组件故障定位，需获取影像内光伏板的位置信息。小型无人机机载POS数据受自身技术等影响导致精度较低，难以用于小型无人机影像的光伏板定位。针对这一问题，本文提出一种无人机影像光伏板自动定位方法，根据无人机影像及巡检区域内光伏板地理坐标确定影像内光伏板对应的实际位置，为故障检修提供精确的位置信息。方法基于物像投影关系确定坐标转换模型及模型未知参数，根据拍摄条件确定参数范围，选取多组参数计算影像内光伏板的地理坐标，将其与区域内光伏板的反投影差中误差作为损失值，对比多组损失值进行参数寻优，并通过重叠影像进行验证。基于最优参数进行坐标转换，实现光伏板的影像自动定位。在两期共14000余块故障板的实验中，定位正确率达到97.78%和98.54%，相较基于POS数据的定位方法分别提升了13.06%和12.96%，且能克服拍摄条件变化的影响，验证了定位方法的准确性和鲁棒性。

关键词：无人机影像光伏板定位坐标转换参数寻优重叠影像

基于MICP法的巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土的试验研究

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工程科学学报 2025年第1期47卷 158-169页

作者：王艳张李奕岚唐晓武朱鹏陈冠年阮方毅宁波大学土木工程与地理环境学院宁波315211 浙江大学建筑工程学院杭州310058

以重金属污染土的治理为背景,通过毒性浸出、无侧限抗压强度、土柱淋滤试验并结合镉形态分析等其他微观测试方法,探讨了Ca^(2+)的添加、Cd^(2+)浓度、养护时间等因素对驯化巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土特性的影响.结果表明:Ca^(2+)对... 详细信息

以重金属污染土的治理为背景,通过毒性浸出、无侧限抗压强度、土柱淋滤试验并结合镉形态分析等其他微观测试方法,探讨了Ca^(2+)的添加、Cd^(2+)浓度、养护时间等因素对驯化巴氏生孢八叠球菌固化镉污染土特性的影响.结果表明:Ca^(2+)对固化土中Cd^(2+)浸出特性影响显著,不添加Ca^(2+)时,当尿素浓度为0.5 mol·L^(-1),固化土的Cd^(2+)浸出质量浓度(0.42~5.64 mg·L^(-1))最低;添加Ca^(2+)后,Cd^(2+)浸出浓度略有增大,胶结液中尿素和Ca^(2+)浓度均为0.5 mol·L^(-1)时,Cd^(2+)的固化效果较好.延长养护时间,固化后土体的抗压强度增加,Cd^(2+)浸出浓度降低且固化效果提高;增大Cd^(2+)浓度,固化后土体的抗压强度降低,Cd^(2+)浸出浓度提高;添加Ca^(2+)有助于增强镉污染土的固化效果,在养护时间为28 d时,当Cd^(2+)浓度为100 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到312 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度(234 kPa)提升了33.3%;当Cd^(2+)浓度增大至1600 mg·kg^(-1)时,添加Ca^(2+)的试样强度达到269 kPa,相较于未添加Ca^(2+)试样强度提升了57.3%,试样的浸出浓度降低了15.4%;经淋滤后,添加Ca^(2+)的试样滤出液中Cd^(2+)浓度始终低于未添加Ca^(2+)试样.固化后土中弱酸可提取态镉向可还原态镉和残渣态镉转变,添加Ca^(2+)进一步降低弱酸可提取态镉所占比例,减小了Cd^(2+)的迁移能力.

关键词：微生物诱导碳酸盐沉淀镉污染土巴氏生孢八叠球菌固化