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基于均方根容积卡尔曼滤波的船舶操纵运动响应模型参数辨识

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系统仿真学报 2024年第8期36卷 1790-1799页

作者：李晴昊任俊生华焱大连海事大学航海动态仿真和控制重点实验室辽宁大连116026

为了解决扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法在船舶操纵运动模型参数辨识中存在辨识精度低、稳定性差和泛化能力弱的问题,提出了一种基于均方根容积卡尔曼滤波(square root cubature Kalman filter,SRCKF)的辨识算法。在CK... 详细信息

为了解决扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)算法在船舶操纵运动模型参数辨识中存在辨识精度低、稳定性差和泛化能力弱的问题,提出了一种基于均方根容积卡尔曼滤波(square root cubature Kalman filter,SRCKF)的辨识算法。在CKF框架下将方差矩阵的均方根代替原始方差矩阵,使用三角分解对其进行预测和更新以提高辨识的稳定性。将EKF作为对比算法,利用四阶龙格库塔法解算的数值仿真数据,对舵角符合舵机伺服机构变化的船舶二阶非线性响应模型参数进行辨识,并将得到的辨识模型开展泛化能力验证试验。结果表明:SRCKF算法具有比EKF算法更高的辨识精度、稳定性和泛化能力。

关键词：参数辨识 SRCKF(square root cubature Kalman filter) 四阶龙格库塔法舵机伺服机构响应模型

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面向无人船视觉感知的几何结构保护视差图像拼接

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系统仿真学报 2024年第8期36卷 1749-1763页

作者：杨志林尹勇张如凯景乾峰姜森朱文锋大连海事大学航海动态仿真和控制实验室辽宁大连116026 天津海运职业学院航海技术系天津300350

针对海上低纹理、大视差图像拼接过程中由于误对齐产生的伪影问题,提出一种基于点线特征配准和最佳接缝线融合的几何结构保视差图像拼接算法。在传统的基于点特征求解单应变换的基础上引入线段特征,并将潜在的共面局部线段合并为全局线... 详细信息

针对海上低纹理、大视差图像拼接过程中由于误对齐产生的伪影问题,提出一种基于点线特征配准和最佳接缝线融合的几何结构保视差图像拼接算法。在传统的基于点特征求解单应变换的基础上引入线段特征,并将潜在的共面局部线段合并为全局线段,为接缝线融合提供精准对齐的条件;在图像融合过程中,利用tanh度量的颜色差异和梯度差异以及引入显著性检测权重来设计接缝切割方法的能量函数,引导最佳接缝线避开图像中显著海上结构,从而确保结构边缘的连续性;使用SIFT flow方法校正拼接缝上的错位像素,实现几何结构准确的海上图像拼接。在20对不同场景数据上的拼接实验表明,与基准方法相比,所提算法的基于SSIM的接缝质量误差平均降低了44.6%,最多降低66.7%,基于ZNCC(zero mean normalized cross-correlation)的接缝质量误差平均降低了24.7%,最多降低了51.6%,能够有效地避免伪影,从而得到观感自然的拼接结果,满足无人船航行过程中对宽视场的需求。

关键词：无人船视觉感知图像拼接点线一致性配准几何结构保护最佳接缝线融合

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基于MHA⁃BiGRU的内河航道水位预测分析

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大连海事大学学报 2024年第1期50卷 46-56页

作者：马瑞鑫尹勇鲍可馨汪永超大连海事大学航海动态仿真和控制实验室辽宁大连116026 交通运输部天津水运工程科学研究院天津300456

针对山区内河航道水位预测技术难题,分析了影响航道水位预测的环境因素和技术难点,总结了当前航道水位预测模型的技术方法,提出一种新型的MHA⁃BiGRU航道水位预测模型,将多头注意力机制引入GRU模型,实现了模型对航道水位序列数据时间和... 详细信息

针对山区内河航道水位预测技术难题,分析了影响航道水位预测的环境因素和技术难点,总结了当前航道水位预测模型的技术方法,提出一种新型的MHA⁃BiGRU航道水位预测模型,将多头注意力机制引入GRU模型,实现了模型对航道水位序列数据时间和空间等重要因素的特征权重划分,使模型聚焦影响航道水位变化的关键因素。以乌江下游航道为研究对象,通过建设水位和流速实时动态监测站,建立监测数据集,选取平均绝对误差(MAE)、纳什效率系数(NSE)和均方根误差(RMSE)等参数作为评价指标对该模型进行验证。结果表明,模型通过多头注意力机制和双向循环神经网络的应用,提升了航道水位预测性能;与传统的LSTM和GRU等经典时序预测模型相比,该模型具有更好的鲁棒性和更高的精度。将模型嵌入系统平台中进行示范应用,实现了航道水位的实时动态监测和中短期预测,具有较高的工程应用价值。

关键词：内河航道水位预测航道安全监管多头注意力机制(MHA) 门控循环单元(GRU)

考虑执行器动态特性的船舶动力定位鲁棒事件触发控制

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中国舰船研究 2024年

作者：李博张国庆张显库吕红光大连海事大学航海学院

[目的]为解决航海工程应用中全驱动船舶的动力定位控制任务所存在的通信资源限制、参数不确定等问题，提出一种考虑执行器动态特性的船舶动力定位鲁棒事件触发控制算法。[方法]该算法采用径向基函数（RBF）神经网络对系统不确定进行逼... 详细信息

[目的]为解决航海工程应用中全驱动船舶的动力定位控制任务所存在的通信资源限制、参数不确定等问题，提出一种考虑执行器动态特性的船舶动力定位鲁棒事件触发控制算法。[方法]该算法采用径向基函数（RBF）神经网络对系统不确定进行逼近，同时针对通信带宽受限约束而引入零阶保持器，在传感器-控制器信道中设计一种新颖的事件触发机制，以降低传感器-控制器和控制器-执行器信道中的信号传输频率并显著节约系统的通信资源。此外，该算法通过设计在线更新的自适应参数去补偿执行器的增益不确定性，从而降低计算负载，以保证船舶能够稳定执行动力定位任务。[结果]利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环控制系统中所有误差变量都满足半全局一致最终有界(SGUUB)稳定，并通过设置对比仿真实验证明了该算法的有效性。[结论]研究成果可为推进智能船舶装备研制提供参考。

关键词：动力定位船舶事件触发控制鲁棒神经阻尼自适应控制

基于自适应视距制导的无人潜航器三维协同路径跟踪控制

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控制与决策 2024年

作者：王浩亮于德智卢丽宇张卫东彭周华大连海事大学轮机工程学院上海交通大学电子信息与电气工程学院大连市智能船艇集群控制与电气技术重点实验室水路交通控制全国重点实验室大连海事大学船舶电气工程学院海南大学信息与通信工程学院

本文针对跟踪路径复杂、立体空间运动、模型参数动态变化、风浪流扰动下的多无人潜航器(Unmanned underwater vehicle, UUV)协同路径跟踪问题开展研究.首先,针对UUV跟踪复杂路径情形设计自适应前视距离策略,使得UUV可以更好地跟踪复杂... 详细信息

本文针对跟踪路径复杂、立体空间运动、模型参数动态变化、风浪流扰动下的多无人潜航器(Unmanned underwater vehicle, UUV)协同路径跟踪问题开展研究.首先,针对UUV跟踪复杂路径情形设计自适应前视距离策略,使得UUV可以更好地跟踪复杂水下路径.其次,针对立体空间运动的UUV集群,设计三维视距制导律和协同控制律引导UUV集群在三维空间中沿参数化路径运动.最后,针对模型参数动态变化、风浪流扰动影响下的UUV集群,设计自抗扰控制器实现对动态变化模型、总扰动信息和速度信息的统一估计,保证动力学控制的稳定性.仿真结果验证了所提基于自适应视距制导的无人潜航器三维协同路径跟踪控制方法的有效性.

关键词：自适应前视距离三维视距制导协同路径跟踪自抗扰控制无人潜航器

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城市道路智能网联车辆轨迹鲁棒控制方法

交通运输系统工程与信息 2024年第4期24卷 31-40页

作者：刘美岐金楷然李雅澜郭戈大连海事大学航运经济与管理学院辽宁大连116026 大连海事大学综合交通运输协同创新中心辽宁大连116026 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室沈阳110819 东北大学秦皇岛分校控制工程学院河北秦皇岛066004

针对车辆控制系统的执行器延迟和外部环境不确定性导致的智能网联车队性能不稳定甚至系统失稳问题,本文提出一种强鲁棒的信控路段智能网联车辆轨迹优化控制方法。首先,构建三阶车辆控制系统动态模型,以优化乘坐舒适性、安全性、车队平... 详细信息

针对车辆控制系统的执行器延迟和外部环境不确定性导致的智能网联车队性能不稳定甚至系统失稳问题,本文提出一种强鲁棒的信控路段智能网联车辆轨迹优化控制方法。首先,构建三阶车辆控制系统动态模型,以优化乘坐舒适性、安全性、车队平稳性、燃油经济性和交通延误为目标,以闯红灯和不安全的车间距离为惩罚,以速度和加速度上下界为约束,以前方交叉口信号变化为系统反馈,设计车辆轨迹控制器以提升受控车辆的运行效率。其次,将车辆轨迹控制器构建为最小—最大模型预测控制问题,针对执行器延迟和不确定性的最坏情况优化成本函数得到控制输入,以改善受控车队的稳定性。然后,采用迭代的庞德里雅金极大值原理进行求解,将控制问题离散化并将不确定参数划分为多个连续区间,找出最坏情况进行迭代计算,正向求解状态变量并逆向求解共轭变量,以提高控制问题的求解效率。仿真结果表明,该轨迹控制方法在信控路段和无信控路段均表现良好,有效应对随机的执行器延迟和外部车辆的干扰,如信号参数的改变、人类驾驶车辆的剧烈变速和小幅度的轨迹偏差。本文提出的鲁棒控制器具有良好的稳定性和优越性,能够显著改善乘坐舒适度(75.7%)并减少燃油消耗(18.4%)。

关键词：智能交通轨迹控制鲁棒模型预测控制智能网联车感应式信号

CAVE立体显示系统的搭建及立体图像的几何校正

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计算机辅助设计与图形学学报 2008年第10期20卷 1366-1373页

作者：赵猛金一丞尹勇大连海事大学航海动态仿真及控制交通部重点实验室大连116026

为了解决由投影机的位置不准确而引起的立体图像视差畸变问题,根据立体图像产生方式以及显示方式的不同,给出了适合于工程上搭建"经济型"CAVE立体显示系统的几种实现方式,包括主动立体方式、主动变被动方式以及直接被动立体方式.将帧缓... 详细信息

为了解决由投影机的位置不准确而引起的立体图像视差畸变问题,根据立体图像产生方式以及显示方式的不同,给出了适合于工程上搭建"经济型"CAVE立体显示系统的几种实现方式,包括主动立体方式、主动变被动方式以及直接被动立体方式.将帧缓存中双眼的视景图像分别拷贝到纹理内存中,通过重投影变换计算出B样条曲面控制点坐标并绘制B样条曲面,分别映射纹理内存中双眼图像的纹理到各自的B样条曲面上.通过对左右眼立体图像分别进行几何校正,实现了CAVE多通道立体显示的无缝拼接;通过微调B样条曲面的控制点坐标以及确定曲面阶数,实现了左右立体图像局部位置的调整以及图像平滑度的调整.实验结果显示,该方法不影响视景实时绘制.

关键词： CAVE 立体显示几何校正重投影变换 B样条曲面

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游艇模拟器中游艇静水“海豚运动”仿真研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2020年第12期48卷 89-95页

作者：李笑晨尹勇大连海事大学航海动态仿真和控制交通部重点实验室辽宁大连116026

针对现有游艇模拟器中无法模拟游艇静水"海豚运动"的问题,基于游艇高速航行受力本质进行分析,结合平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究,对游艇几何模型进行合理简化,求解游艇静水中滑行运动姿态.基于高频自由面假设和切... 详细信息

针对现有游艇模拟器中无法模拟游艇静水"海豚运动"的问题,基于游艇高速航行受力本质进行分析,结合平板滑行理论和Savitsky关于棱柱形滑行艇的相关研究,对游艇几何模型进行合理简化,求解游艇静水中滑行运动姿态.基于高频自由面假设和切片理论计算游艇垂荡、纵摇水动力系数,采用Routh-Hurwitz线性稳定性判据寻找游艇发生"海豚运动"阈值.提出引入人工干预的方法激励处于不稳定运动状态的游艇,使其发生"海豚运动"并进行数值仿真试验.试验结果表明当且仅当游艇处于不稳定运动状态时人工干预可以诱导游艇进行"海豚运动",数值仿真结果与模型试验结果符合良好.将算法与游艇模拟器相结合进行工程应用试验,游艇模拟器运行稳定、效果良好,实现了游艇模拟器中游艇"海豚运动"的仿真.

关键词：游艇模拟器运动数学模型海豚运动稳定性分析人工干预

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基于加密型值表的船舶静水力特性精确计算

中国造船 2013年第4期54卷 163-176页

作者：刘春雷张秀凤孙霄峰尹勇大连海事大学航海动态仿真及控制交通部重点实验室大连116026

针对传统船舶静水力特性计算方法存在的不足,编写C++程序对加密型值表自动识别和读取,建立了船舶三维数据库。对实船正浮状态不同吃水时的各种静水力参数进行计算,与装载手册提供的数据进行对比和分析,说明了该方法的高精确性;运用坐标... 详细信息

针对传统船舶静水力特性计算方法存在的不足,编写C++程序对加密型值表自动识别和读取,建立了船舶三维数据库。对实船正浮状态不同吃水时的各种静水力参数进行计算,与装载手册提供的数据进行对比和分析,说明了该方法的高精确性;运用坐标系矩阵变换和Sutherland-Hodgman剪裁算法计算任意浮态下船舶排水体积和浮心,与装载手册中提供的纵倾数据相比较,验证了该计算方法的正确性与通用性。

关键词：加密型值表静水力特性计算 Sutherland Hodgrnan剪裁算法浮心