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原文传递无人船自主靠泊避碰决策与运动控制研究

论文题名：	无人船自主靠泊避碰决策与运动控制研究
关键词：	无人船;自主靠泊;路径规划;动态避碰;运动控制
摘要：	作为一种多用途、智能化的无人海洋运载平台，无人船对于推动未来海上科技与贸易的发展十分重要。自主靠泊是无人船必须具备的关键功能之一，但港口附近静态和动态障碍物并存的复杂水域、港内受限水域，对无人船的机动性造成约束，泊位对无人船的位置和艏向造成约束，这些使得自主靠泊需要一系列避碰决策与运动控制技术的支持。此外，实现无人船的自主靠泊不仅可以降低人力成本，还能够保障海上运输安全，推进我国智能船舶的发展。因此，针对无人船自主靠泊避碰决策与运动控制的研究，具有重要的理论意义和应用价值。本文就无人船自主靠泊过程中的全局路径规划、局部动态避碰和低速自动靠泊控制三个方面开展相关研究。　　针对无人船自主靠泊的全局路径规划问题，通过在靠泊起点和泊位点之间添加一个过渡点，将其分为远端和近端路径规划问题。远端路径规划以避开静态障碍物为首要目标，本文根据解析的电子海图信息构建正六边形栅格地图，修改传统跳点搜索算法的剪枝规则和跳点搜索策略，提出新的正六边形栅格跳点搜索算法，并利用该算法解决无人船远端路径规划问题，进一步，利用PyCharm进行仿真及与传统跳点搜索算法的仿真比较，结果表明所提出的算法能够实现路径规划，且对比传统跳点搜索算法提高了规划路径的安全性以及路径规划效率。近端路径规划考虑受限水域对无人船机动性的约束以及泊位对无人船位姿的约束，本文根据近端靠泊特点规划路径点，并利用混合路径参数化方法将所规划的路径点拟合成一条平滑路径，最后，通过MATLAB/Simulink仿真验证了该方法的有效性。　　针对无人船自主靠泊的局部动态避碰问题，考虑无人船会遇一艘或多艘障碍船的情况，首先提出新的主动速度障碍法，利用根据无人船运动数学模型预测得到的状态信息预判断是否存在碰撞风险，从而优化避碰决策；进一步，将主动速度障碍法与视线法融合到集合制导框架中，创建一个无人船的动态避碰解决方案，使得无人船能够在跟踪远端靠泊路径的过程中避免与其他动态障碍船发生碰撞，且在避碰行动初期避免一系列小的速度变化；最后，以一艘无人船为仿真对象，利用MATLAB/Simulink进行仿真，仿真结果验证了所提出的动态避碰解决方案的有效性和优越性。　　针对无人船港内低速航行的自动靠泊控制问题，设计一个无人船近端自动靠泊制导-导航-控制系统，使无人船能够跟踪近端路径规划所生成的参数化路径且满足靠泊过程对无人船航速和航向的约束。其中，制导系统在参数化路径的基础上，利用路径参数配置方法，提供无人船期望的位姿、速度信号；导航系统采用非线性无源观测器，估计无人船运动状态及不可测的扰动；设计基于非线性无源观测器的靠泊比例-微分控制器，使得无人船能够以期望航速跟踪近端靠泊路径，并完成平行靠拢过程。最后，以一艘配有侧推器的无人船为仿真对象，利用MATLAB/Simulink进行仿真，仿真结果验证了所设计的近端自动靠泊制导-导航-控制系统的有效性。
作者：	王文明
专业：	船舶与海洋工程
导师：	杜佳璐
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022