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多船会遇船舶动态避碰辅助模型研究

多船会遇船舶动态避碰辅助模型研究

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作者：李鑫瑞重庆交通大学

学位级别：硕士

在航海技术、航海导航系统和船联网等技术快速发展的背景下,“智能船舶”的概念已经引起了国内外学者的广泛关注。在“智能船舶”领域中,船舶自动避碰系统是其重要组成部分,而船舶动态避碰辅助模型又是船舶自动避碰系统的关键要素,因此... 详细信息

在航海技术、航海导航系统和船联网等技术快速发展的背景下,“智能船舶”的概念已经引起了国内外学者的广泛关注。在“智能船舶”领域中,船舶自动避碰系统是其重要组成部分,而船舶动态避碰辅助模型又是船舶自动避碰系统的关键要素,因此对船舶动态避碰辅助模型展开研究是实现船舶智能化的重要途径之一。本文将船舶操纵运动数学模型、船舶航向控制模型、船舶避碰要素动态数学模型、船舶碰撞危险度计算模型和本船重点避让船舶模型相结合,提出了一种充分考虑船舶操纵性的多船会遇船舶动态避碰辅助模型。主要研究工作如下所示:(1)在三自由度分离型船舶操纵运动数学模型(MMG)的基础上,建立了一种船舶避碰要素动态数学模型,该模型将船舶的横向速度代入最近会遇距离(DCPA)、最短会遇时间(TCPA)等参数的计算中,能够更为准确的描述船舶在避碰过程中DCPA、TCPA等参数的变化规律。(2)将标准化MMG模型转化为非仿射纯反馈形式的船舶航向控制系统,结合自适应后推控制、动态面控制和神经网络等技术,开展了船舶航向直接自适应神经网络控制算法,利用李雅普诺夫函数方法证明了该闭环系统所有信号都一致最终有界,并且可以通过控制参数的调整使得该系统的跟踪误差任意小。(3)基于Goodwin船舶领域模型,结合时间碰撞危险度和空间碰撞危险度模型,建立了一种改进后的船舶碰撞危险度计算模型,该模型有效避免了船舶碰撞危险度的值陷入过大化。其次,在层次分析法和灰色关联分析法的基础上,建立了一种多船会遇态势下的本船重点避让船舶模型。该模型不仅考虑了DCPA和TCPA对排序结果的影响,还进一步考虑了相对距离和船速比的影响。(4)以Matlab2021b作为仿真平台,对本文所提出的多船会遇船舶动态避碰辅助模型进行仿真分析,证明了本文所提出的模型能够有效辅助船舶驾驶员和岸基监控人员根据船舶操纵性进行避碰决策,提高了船舶在复杂航行环境下的安全性,丰富了智能船舶避碰决策技术与理论,对实现无人船舶自主避碰与航行具有一定的借鉴意义。

关键词：多船会遇船舶操纵性自适应控制碰撞危险度避碰辅助模型

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