自主靠离泊实验平台的设计与实现
发布时间：2021-02-01 20:35
在人工智能、大数据、物联网的科技背景下,无人船舶逐渐成为行业焦点和发展的趋势。无人船舶技术综合性强,覆盖面广,涉及多门学科、多个领域,而船舶自主靠离泊技术则是研究无人船舶技术的一个重点。考虑到船舶在自主靠离泊过程中存在惯性大,操纵性、航向稳定性弱等缺点,目前难以在运营船舶上进行实际实验。本文设计了一套融合SLAM技术的“双桨双舵电力推进”实验平台系统,用于对自主靠离泊技术进行研究和实验验证。主要研究内容如下:（1）阐述了船舶自主靠离泊技术的研究背景和意义。从需求、操纵性进行分析,给出“双桨双舵电力推进”的靠离泊实验平台的具体设计方案。然后对实验平台进行了船舶运动数学建模,设计了基于PID算法和模糊PID算法的航向控制器,并进行了 45°和90°的航向控制仿真实验。（2）结合SLAM,技术,以激光雷达为辅助设备,对靠离泊环境进行扫描和地图构建。为消除自主靠离泊过程中出现的船舶大角度变化带来地图匹配混乱的问题,本文在原LOAM算法的基础上,加入了特征点处理环节,提高地图的匹配精度,得到实时高精度的地图构建结果。同时又加入了“重定位”功能,来应对自主靠离泊过程中反复扫描同一区域的情况,进一步...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?４?ＳＬＡＭ系统框架??Ｆｉｇ．?１．４?ＳＬＡＭ?ｓｙｓｔｅｍ?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ??ＳＬＡＭ的研宄算法众多，目前主流的ＳＬＡＭ算法有以下几种：??ｌ一
?自主靠离泊实验平台的设计与实现???②实验平台空间布置应考虑完整稳性、对称性等因素。设备分布要保证平台的浮态??和稳性，船舶运动时，设备保持平稳且运行稳定，不存在安全隐患。??③实验平台采用电力推进，推进装置为两只全回转吊舱推进器，布置在船尾，根据??框架结构对吊舱推进器进行合理优化。‘??１??（８）电磁兼容设计??影响系统正常工作的电磁环境包括外部强Ｍ号千扰和系统内各设备间相互干扰。系??统所处的工作环境，从总体布局到分系统设计都有必要采取一系列抗干扰措施，以减小??干扰对设备的影响，保证系统稳定工作。在电磁兼容性设计时，主要考虑采取屏蔽、滤??波、接地、布线、电路设计和设备合理布局等多种措施。??．Ｉ?ｉ??综上所述，最终靠离泊实验平台整体设计如下：??…．一??／＾１??图２．?１实验平台整体设计??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｈｅ?ｏｖｅｒａｌｌ?ｄｅｓｉｇｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｌａｔｆｏｒｍ??２．５本章小结??为了方便对基于ＳＬＡＭ技术的自主靠离泊技术进行实船验证，本章对实验平台的需??求进行分析，结合实验平台的操纵性能分析，给出一套“双桨双舵电力推进”的靠离??泊实验平台设计方案，为后续实验平台控制系统的搭建提供依据。??－１６?－??
?大连海事大学专业学位硕士学位论文???３靠离泊实验平台建模与航向控制仿真??３．１引言??根据目前国内外对于双推进器结构船舶建模的研宄，本章对实验平台进行了数学建??模和航向控制器的设计。首先对实验平台进行数学分析，选取合适的建模方法对其建立??运动数学模型，采用不同的控制算法进行航向、航速、轨迹等一系列控制器的设计和仿??真，通过所得仿真结果总结该结构无人艇的运动特性。本文采用的双体结构无人艇［６８］??如图３．１所示：??ｉ？■丨?１?氫■轉．＾??无线网咖??ＧＰＳ天线－数据传输１??臟电池、控觸＾??图３．＇１双桨双舵无人艇??Ｆｉｇ．?３．１?Ｔｗｉｎ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ?Ｔｗｉｎ－ｒｕｄｄｅｒ?ＵＳＶ??Ｉ?＼??３．２船舶运动数学模型??ｌ?卜?■?？，??３．２．１运动坐标系的建立??船舶在航行过程中，不仅会受到风浪等环境因素的干扰，还会受到螺旋桨等船舶自??身的各种力和力矩的作用，所以船舶的运动过程十分复杂。船舶运动不是简单的二维??空间运动，而是复杂的三维空间运动，通常被称为船舶的六自由度运动。其中有围??绕三个坐标轴的旋转运动和直线运动，当船舶在运动时，我们可以将运动的船舶视??为一个刚体［６９】。其中船舶沿着坐标轴各个方向上力和力矩的关系如表３．１所示：??－１７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]超大型船舶靠泊安全因素分析[J]. 庞玺斌. 天津航海. 2019(04)
[2]航运，向智能迈进[J]. 张宝晨. 中国海事. 2019(12)
[3]无人驾驶技术在未来智慧港口的应用[J]. 孙羽,汪沛. 珠江水运. 2019(23)
[4]集装箱码头智能化发展建议[J]. 李鑫,杜尊峰,赵羿羽,金伟晨. 港口科技. 2019(11)
[5]无人船发展现状及其关键技术综述[J]. 陈映彬. 科学技术创新. 2019(02)
[6]基于卡尔曼滤波与粒子滤波的SLAM研究综述[J]. 孙海波,童紫原,唐守锋,童敏明,纪玉明. 软件导刊. 2018(12)
[7]智能车辆自动泊车路径跟踪的非光滑控制策略[J]. 江浩斌,李臣旭,马世典,丁世宏,张超. 江苏大学学报(自然科学版). 2017(05)
[8]Study on Ship Automatic Berthing System with Mooring Lines[J]. K.U.Yang,J.G.Hur,M.S.Choi,D.J.Yeo,J.H.Byun. China Ocean Engineering. 2017(01)
[9]基于激光三维视觉的船舶靠泊动态监测技术[J]. 闫晓飞,刘泽西,李颖,刘瑀,周颖. 激光与红外. 2016(12)
[10]拖轮在船舶靠离泊操纵中的应用[J]. 杨建山. 港口经济. 2016(04)
博士论文
[1]基于船舶操纵性试验分析的辨识建模研究[D]. 张心光.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]基于激光雷达的大范围环境地图构建与重定位[D]. 丁超.大连理工大学 2019
[2]基于激光雷达的分布式SLAM研究[D]. 朱浩.浙江大学 2019
[3]欠驱动无人艇自主靠泊方法研究[D]. 张伟斌.哈尔滨工程大学 2017
[4]欠驱动船舶运动的自适应迭代滑模控制研究[D]. 代昌盛.大连海事大学 2017
[5]基于三维激光点云数据的船舶靠泊监测技术[D]. 闫晓飞.大连海事大学 2017
[6]基于水动力性能的高速三体船船型与构型优化[D]. 吴铭浩.武汉理工大学 2013
[7]大型船舶自主靠泊方法的研究[D]. 李日岭.大连海事大学 2012
[8]大型集装箱船舶操纵控制建模与仿真的研究[D]. 刘挺.大连海事大学 2010
本文编号：3013393
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．?４?ＳＬＡＭ系统框架??Ｆｉｇ．?１．４?ＳＬＡＭ?ｓｙｓｔｅｍ?ｆｒａｍｅｗｏｒｋ??ＳＬＡＭ的研宄算法众多，目前主流的ＳＬＡＭ算法有以下几种：??ｌ一
?自主靠离泊实验平台的设计与实现???②实验平台空间布置应考虑完整稳性、对称性等因素。设备分布要保证平台的浮态??和稳性，船舶运动时，设备保持平稳且运行稳定，不存在安全隐患。??③实验平台采用电力推进，推进装置为两只全回转吊舱推进器，布置在船尾，根据??框架结构对吊舱推进器进行合理优化。‘??１??（８）电磁兼容设计??影响系统正常工作的电磁环境包括外部强Ｍ号千扰和系统内各设备间相互干扰。系??统所处的工作环境，从总体布局到分系统设计都有必要采取一系列抗干扰措施，以减小??干扰对设备的影响，保证系统稳定工作。在电磁兼容性设计时，主要考虑采取屏蔽、滤??波、接地、布线、电路设计和设备合理布局等多种措施。??．Ｉ?ｉ??综上所述，最终靠离泊实验平台整体设计如下：??…．一??／＾１??图２．?１实验平台整体设计??Ｆｉｇ．?２．１?Ｔｈｅ?ｏｖｅｒａｌｌ?ｄｅｓｉｇｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｐｌａｔｆｏｒｍ??２．５本章小结??为了方便对基于ＳＬＡＭ技术的自主靠离泊技术进行实船验证，本章对实验平台的需??求进行分析，结合实验平台的操纵性能分析，给出一套“双桨双舵电力推进”的靠离??泊实验平台设计方案，为后续实验平台控制系统的搭建提供依据。??－１６?－??
?大连海事大学专业学位硕士学位论文???３靠离泊实验平台建模与航向控制仿真??３．１引言??根据目前国内外对于双推进器结构船舶建模的研宄，本章对实验平台进行了数学建??模和航向控制器的设计。首先对实验平台进行数学分析，选取合适的建模方法对其建立??运动数学模型，采用不同的控制算法进行航向、航速、轨迹等一系列控制器的设计和仿??真，通过所得仿真结果总结该结构无人艇的运动特性。本文采用的双体结构无人艇［６８］??如图３．１所示：??ｉ？■丨?１?氫■轉．＾??无线网咖??ＧＰＳ天线－数据传输１??臟电池、控觸＾??图３．＇１双桨双舵无人艇??Ｆｉｇ．?３．１?Ｔｗｉｎ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ?Ｔｗｉｎ－ｒｕｄｄｅｒ?ＵＳＶ??Ｉ?＼??３．２船舶运动数学模型??ｌ?卜?■?？，??３．２．１运动坐标系的建立??船舶在航行过程中，不仅会受到风浪等环境因素的干扰，还会受到螺旋桨等船舶自??身的各种力和力矩的作用，所以船舶的运动过程十分复杂。船舶运动不是简单的二维??空间运动，而是复杂的三维空间运动，通常被称为船舶的六自由度运动。其中有围??绕三个坐标轴的旋转运动和直线运动，当船舶在运动时，我们可以将运动的船舶视??为一个刚体［６９】。其中船舶沿着坐标轴各个方向上力和力矩的关系如表３．１所示：??－１７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]超大型船舶靠泊安全因素分析[J]. 庞玺斌. 天津航海. 2019(04)
[2]航运，向智能迈进[J]. 张宝晨. 中国海事. 2019(12)
[3]无人驾驶技术在未来智慧港口的应用[J]. 孙羽,汪沛. 珠江水运. 2019(23)
[4]集装箱码头智能化发展建议[J]. 李鑫,杜尊峰,赵羿羽,金伟晨. 港口科技. 2019(11)
[5]无人船发展现状及其关键技术综述[J]. 陈映彬. 科学技术创新. 2019(02)
[6]基于卡尔曼滤波与粒子滤波的SLAM研究综述[J]. 孙海波,童紫原,唐守锋,童敏明,纪玉明. 软件导刊. 2018(12)
[7]智能车辆自动泊车路径跟踪的非光滑控制策略[J]. 江浩斌,李臣旭,马世典,丁世宏,张超. 江苏大学学报(自然科学版). 2017(05)
[8]Study on Ship Automatic Berthing System with Mooring Lines[J]. K.U.Yang,J.G.Hur,M.S.Choi,D.J.Yeo,J.H.Byun. China Ocean Engineering. 2017(01)
[9]基于激光三维视觉的船舶靠泊动态监测技术[J]. 闫晓飞,刘泽西,李颖,刘瑀,周颖. 激光与红外. 2016(12)
[10]拖轮在船舶靠离泊操纵中的应用[J]. 杨建山. 港口经济. 2016(04)
博士论文
[1]基于船舶操纵性试验分析的辨识建模研究[D]. 张心光.上海交通大学 2012
硕士论文
[1]基于激光雷达的大范围环境地图构建与重定位[D]. 丁超.大连理工大学 2019
[2]基于激光雷达的分布式SLAM研究[D]. 朱浩.浙江大学 2019
[3]欠驱动无人艇自主靠泊方法研究[D]. 张伟斌.哈尔滨工程大学 2017
[4]欠驱动船舶运动的自适应迭代滑模控制研究[D]. 代昌盛.大连海事大学 2017
[5]基于三维激光点云数据的船舶靠泊监测技术[D]. 闫晓飞.大连海事大学 2017
[6]基于水动力性能的高速三体船船型与构型优化[D]. 吴铭浩.武汉理工大学 2013
[7]大型船舶自主靠泊方法的研究[D]. 李日岭.大连海事大学 2012
[8]大型集装箱船舶操纵控制建模与仿真的研究[D]. 刘挺.大连海事大学 2010
本文编号：3013393
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