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基于3D激光雷达的水面无人艇靠泊参数估计

系统仿真学报 2024年第8期36卷 1737-1748页

作者：王海超尹勇景乾峰丛琳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

为准确地估计靠泊参数,提出了一种基于艇载3D激光雷达的靠泊参数估计方法。该方法包括2个主要模块:无人艇位姿估计和靠泊状态估计。无人艇位姿估计模块采用点云预处理算法对原始点云进行降采样并滤除异常值,利用点云配准算法实现了无人... 详细信息

为准确地估计靠泊参数,提出了一种基于艇载3D激光雷达的靠泊参数估计方法。该方法包括2个主要模块:无人艇位姿估计和靠泊状态估计。无人艇位姿估计模块采用点云预处理算法对原始点云进行降采样并滤除异常值,利用点云配准算法实现了无人艇靠泊过程中的位姿估计。靠泊状态估计模块通过MSAC算法提取泊位边界信息,并基于此信息计算靠泊参数。实验结果表明:该算法所得无人艇位姿信息和靠泊参数信息均与实际相符,平均靠泊距离误差小于0.023 m,平均角度误差小于0.26°,验证了该靠泊参数估计算法的准确性和合理性。

关键词：水面无人艇靠泊参数估计无人艇位姿估计靠泊状态估计点云配准

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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)

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基于MHA-BiGRU的内河航道水位预测分析研究

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大连海事大学学报 2024年

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交通运输部天津水运工程科学研究院

围绕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，创新提出了一种新型的MHA-BiGRU（Multi-Head Attention-Bidirectional Gated Recurrent Unit）航道水位预测... 详细信息

围绕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，创新提出了一种新型的MHA-BiGRU（Multi-Head Attention-Bidirectional Gated Recurrent Unit）航道水位预测模型，将多头注意力机制引入到GRU（Gated Recurrent Unit）模型中，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。模型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，实现了监测数据集的建立，选取平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）、纳什效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency coefficient，NSE）和均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）等参数作为评价指标，对该模型进行了验证。研究结果表明：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的性能，与传统的LSTM（Long Short-Term Memory）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。最后将模型嵌入到系统平台中进行了示范应用，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：航道工程航道水位预测航道安全监管多头注意力机制门控循环神经网络

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

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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

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动力定位船舶鲁棒自适应异步自触发控制

哈尔滨工程大学学报 2024年第7期45卷 1376-1383页

作者：姚明启张国庆宋纯羽张显库大连海事大学航海学院辽宁大连 116026

针对动力定位船舶的通信带宽受限、执行器增益不确定性等问题,本文提出了一种异步自触发动力定位控制策略.该策略设计了一种自触发机制,解决了传统事件触发方法需要对触发条件进行连续监控这一约束,即下一触发时刻仅需要根据当前时刻的... 详细信息

针对动力定位船舶的通信带宽受限、执行器增益不确定性等问题,本文提出了一种异步自触发动力定位控制策略.该策略设计了一种自触发机制,解决了传统事件触发方法需要对触发条件进行连续监控这一约束,即下一触发时刻仅需要根据当前时刻的相关信息进行计算.对于具有多个执行器的动力定位船舶,每个执行器的自触发机制相互独立互不影响,即其每个控制器-执行器信道中的控制信号均为异步触发式传输.此外,对于每个执行器设计了一个自适应参数对其增益不确定性进行在线估计和补偿.通过仿真实验对上述控制策略进行验证,仿真结果表明:所提出算法具有较高的定位精度与稳定性能,且极大程度上减少了控制信号的传输次数,相较于对比算法减少了 100 倍传输次数,具有低通信负载的优点,更加符合工程需求.

关键词：动力定位自触发控制增益不确定自适应控制鲁棒控制神经网络反步法非线性控制

来源：博看期刊评论

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带有状态/输入量化的无人艇航向跟踪控制

中国舰船研究 2024年第1期19卷 111-118页

作者：李伟王雨宁君李志慧大连海事大学航海学院辽宁大连116026 吉林师范大学信息技术学院吉林四平136000

[目的]针对水面无人艇(USV)的海上通信受限的问题,提出一种带有状态/输入量化的USV航向跟踪控制方法。[方法]基于反步法设计系统控制律,结合动态面技术降低虚拟控制律的计算量膨胀问题。对于控制系统中存在的不确定项及外界干扰,利用扩... 详细信息

[目的]针对水面无人艇(USV)的海上通信受限的问题,提出一种带有状态/输入量化的USV航向跟踪控制方法。[方法]基于反步法设计系统控制律,结合动态面技术降低虚拟控制律的计算量膨胀问题。对于控制系统中存在的不确定项及外界干扰,利用扩张状态观测器(ESO)进行估计。采用均匀量化器分别对控制系统中的状态变量和控制输入进行量化,且量化后的状态反馈信息仅用于跟踪控制。利用量化状态递归设计基于ESO的USV航向控制器,证明闭环控制系统中量化变量和非量化变量间误差的有界性。[结果]基于李雅普诺夫稳定性理论,提出了量化误差考量及闭环系统稳定性判定方法,严格证明了所设计的带有状态量化和输入量化的USV航向跟踪控制系统的稳定性,仿真实验验证了该控制策略的有效性。[结论]结果表明,所提方法可为USV航向跟踪控制提供借鉴。

关键词：无人艇状态量化和输入量化量化反馈控制扩张状态观测器量化误差

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船载起重机防摆装置及其动态特性的仿真与实验研究

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机电工程 2024年

作者：王丙昱靳国良王生海孙茂凱韩广冬陈海泉大连海事大学轮机工程学院

针对船载起重机吊重系统的摆动问题，建立了船载起重机防摆装置的数学模型，采用Simulink-AMESim联合仿真方法，对防摆过程中的船载起重机吊重系统的动态特性进行了研究。首先，建立了防摆装置传递函数、吊重系统动力学的数学模型，分... 详细信息

针对船载起重机吊重系统的摆动问题，建立了船载起重机防摆装置的数学模型，采用Simulink-AMESim联合仿真方法，对防摆过程中的船载起重机吊重系统的动态特性进行了研究。首先，建立了防摆装置传递函数、吊重系统动力学的数学模型，分析了液压系统工况与吊重系统动力学响应之间的动态耦合关系，提出了防摆装置液压马达的控制策略；然后，采用MATLAB/Simulink和AMESim软件，对防摆装置的动态特性进行了联合仿真分析，研究了船舶运动激励条件下船载起重机的吊重摆动特性、防摆绳索张力输出特性和液压马达压力变化特性；最后，利用液压驱动防摆装置实验平台，进行了硬件实验，并对比分析了实验与仿真结果，对防摆装置数学模型的正确性以及联合仿真结果的有效进行了验证。研究结果表明：利用液压驱动防摆装置可将起重机吊重摆动角度限制在3°以内，摆动幅度抑制效果达到77.6%，验证了该液压驱动防摆方案和液压马达控制策略的有效性，也验证了数学模型和仿真分析的准确性。该研究成果可以为液压驱动防摆装置的控制器设计提供依据，同时为液压驱动防摆装置的进一步实船应用提供理论和实验基础。

关键词：起重机械吊重系统摆动液压驱动防摆装置动态特性 Simulink-AMESim联合仿真吊重摆动角度