无人水面艇研究现状与发展趋势

无人水面艇(unmanned surface vehicle, USV)是一种在水面进行自主航行的运载平台,属于海洋机器人的一个重要分支,在军用和民用领域均有广泛的应用前景.由于海洋环境恶劣,以及无人水面艇运动模型非常特殊(如模型高度非线性、强时滞性和时变性等),使得较于无人车和无人机等其他无人系统,无人水面艇的研究面临着特殊的挑战.从态势感知、航行规划和导航、控制这3个方面总结了无人水面艇的研究现状和主要成果,得出了无人水面艇在国内外不同的发展现状和趋势.最后还对无人水面艇的应用需求进行了分析与展望.     

基于异源信息融合的无人水面艇动态路径规划

为解决无人水面艇自主避碰决策中的动态路径规划问题,提出一种基于电子海图与雷达图像融合环境建模的改进人工势场动态路径规划方法.对电子海图中静态环境数据和动态雷达图像数据进行提取,采用Hausdorff距离匹配算法对异源信息进行融合,建立无人水面艇路径搜索空间的动态环境模型,并在动态感知环境信息的基础上,利用改进的人工势场法进行路径规划的仿真验证.仿真结果证明了基于电子海图与雷达图像信息融合的无人艇动态路径规划方法的合理性和有效性.     

融合图像识别和VFH+的无人艇局部路径规划方法

针对水面无人艇在复杂海况下的局部避障问题,文中引入深度学习方法来处理视觉信息,提出了结合VFH+算法的水面无人艇的局部路径规划方法.首先利用对称的编码器-解码器结构的图像语义分割模型和Faster RCNN网络模型进行水面边界线检测及水面障碍物识别,构建水面无人艇环境模型;然后采用基于VFH+的局部路径规划方法,通过逐步构建主直方图、二元直方图和掩模直方图压缩环境数据,引入合理的代价函数来获取实现水面无人艇的有效避障方向规划.在MODD图像数据集上的仿真实验以及实船避障实验结果表明,该方法能有效地提取水面图像信息,并得到合理的局部路径规划策略,在10 kn航速下的避障轨迹平滑,可满足水面无人艇的自主避障需求.     

基于3D激光雷达的无人水面艇海上目标检测

无人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)实现自主导航避障需要实时感知周围的环境信息,检测出威胁无人水面艇航行的障碍物,而3D激光雷达在无人系统障碍检测中起重要作用.提出了一种基于3D激光雷达的障碍检测算法,即将一个周期内的3D激光点云投影到2.5D栅格地图中,对障碍物进行聚类分割;对栅格中的原始点云数据进行特征提取,表示为椭圆障碍物.而多帧激光数据采用最近邻数据关联识别出其中的动态障碍物,并用卡尔曼滤波实时跟踪.基于电子海图的仿真激光数据验证了该方法在无人水面艇障碍检测中的有效性.     

水面无人艇近程反应式危险规避方法研究

提出一种水面无人艇近程反应式危险规避算法.通过分析水面无人艇的运动特性,计算出水面无人艇当前动态窗口,采用弧线法对周围环境中障碍物进行处理,并将规避行为选择的多目标优化问题转化为一个单目标优化问题,通过快速搜索水面无人艇的动态窗口获得一组最优解.实验证明此方法具有快速性、稳定性和可靠性,能够胜任水面无人艇在复杂海洋环境...     

无人水面艇航向跟踪控制器的设计与验证

为解决"蓝信"号无人水面艇的航向跟踪控制问题,设计并实现了一种基于模糊自适应PID的无人水面艇航向跟踪控制器.首先,建立"蓝信"号无人水面艇的数学模型,利用实船操纵数据对其参数进行辨识;其次,在辨识的USV模型基础上,设计一种模糊自适应PID航向跟踪控制器并在干扰环境下进行仿真;最后,采用卡尔曼滤波算法对USV的姿态数据进行融合,设计并实现了"蓝信"号无人水面艇嵌入式航向跟踪控制系统的软硬件.实船验证结果表明,在实际的海洋环境干扰条件下,该航向跟踪控制器具有良好的动静态控制性能和抗干扰能力,可用于"蓝信"号无人水面艇精确和快速的航向跟踪控制.     

基于速度障碍法和动态窗口法的无人水面艇动态避障

速度障碍法是一种普遍应用在无人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)上的动态避障方法,但传统的速度障碍法未考虑无人水面艇运动学性能与障碍物运动信息误差的影响,也未明确何时开始避障与结束避障.在速度障碍法的基础上,用椭圆表示无人水面艇与障碍物,给出一种求解椭圆切线的方法;将动态窗口法与速度障碍物法相结合,考虑无人水面艇的运动学性能,只使用无人水面艇在给定时间内能到达的速度和方向进行避障计算;通过比较碰撞时间与无人水面艇避开障碍物所需的时间来确定何时开始避障,并提出一种结束避障的判断方法;为了减小障碍物运动信息误差的影响,提出了一种虚拟障碍物方法.最后,通过仿真实验验证了该避障方法的可行性与有效性.     

无人艇在电子战中的应用

 阐述了无人艇的发展现状；从平台性能、船体结构、接口设计、软件设计4个方面分析了目前无人艇设计特点，总结了艇载电子战设备的功能和类型；提出了一套无人艇电子战任务执行流程，并设计了6种无人艇电子战任务典型应用场景；展望了未来无人艇在电子战领域中的技术发展方向。     

基于轨迹线性化的无人水面艇航向控制与验证

为解决无人水面艇在真实海洋环境中的航向跟踪与保持的精确控制问题,以"蓝信"号无人水面艇为研究对象,辨识模型参数,然后建立操纵运动模型,设计并验证了一种快慢回路时标分离的基于轨迹线性化的无人水面艇航向控制方法.考虑到未建模动态以及海洋环境干扰对无人水面艇运动的影响,将非线性干扰观测器与轨迹线性化控制相结合,提出一种基于非...     

基于系统理论过程分析方法的无人艇航行安全性分析

近年来,水上交通正朝着无人化、自主化方向发展.水面无人艇是水上交通工具中尺度较小、自主化程度较高的一类.面对复杂的海洋环境,高度集成的无人艇难免由于组件交互失效、内外干扰等造成航行安全事故.在无人艇设计过程中提高其安全性成为面向水上应用的无人艇研发的重要环节.为此,采用系统理论过程分析方法评估无人艇航行安全并给出安全优化对策.针对Pixhawk无人艇软硬件架构搭建事故致因模型.采用系统理论过程分析方法分析系统级危险、不安全控制行为及原因.最后,从三个方面提出了提高航行安全性的设计建议,从控制系统角度提高了Pixhawk无人艇航行安全设计能力.     

大口径火炮无人炮塔系统技术综述

文章主要介绍世界大口径火炮无人炮塔系统的研究现况和性能特点,阐述了大口径火炮无人炮塔系统应具备的核心技术,并探讨了国内大口径火炮无人炮塔系统技术论证的发展方向。     

高速水面无人艇动态障碍物危险规避算法

水面无人艇(USV)是一种重要的海洋自主机器人,在障碍物环境中自主航行问题是当前USV的重要研究内容。针对高速USV在动态环境中的危险规避问题,提出一种基于行为的动态危险规避算法。算法首先对USV的运动特性进行分析获得基本运动空间,采用碰撞锥理论对USV与障碍物之间的情况进行判定,将海事规则约束和碰撞约束转换为USV基于行为的约束,通过求解基于偏航角度和速度的优化问题获得USV最优规避行为。仿真实验结果证明所提出的算法能够有效引导USV在高速(30 kn)情况下对动态障碍物实现有效危险规避。     

单目视觉引导下的无人艇局部避障方法

针对无人艇（unmanned surface vehicle,USV）在作业过程中,需要及时躲避未被标注在地图上的漂浮障碍,并及时返回规划航道的问题,提出一种基于单目视觉的无人艇局部避障方法。避障方法使用YOLO网络识别图像中的障碍物,结合针孔成像原理和水体自由断面特点,解决单目视觉尺度不确定问题,从图像中恢复出障碍物的宽度及深度信息;针对无人艇惯性大,机动性差的特点,引入虚拟水道宽度等信息素,提出了改进的向量场直方图算法（vector field histogram plus,VFH+）;算法参考当前障碍疏密,动态调整不同信息素对最佳航向角计算的影响,引导无人艇在兼顾全局导航信息情况下,应对未知漂浮障碍物快速自动局部避障。基于水动力模型和Gazebo仿真引擎搭建无人艇避障的仿真实验平台。在仿真中快速迭代研究算法的参数范围及控制效果,实现了无人艇在舱内空间和能量均有限的工况下,仅使用单目视觉传感器,兼顾全局路径规划和局部障碍信息,自动化高效躲避漂浮障碍,并在脱离障碍后回归原有规划路径的功能。     

复杂干扰下配电线路无人机巡视目标检测方法研究

配电线路所处环境复杂,传统配电线路无人机巡视目标检测方法无法有效去除外界环境干扰,导致检测结果不可靠。为此,提出一种新的基于视觉感知的配电线路无人机巡视目标检测方法。通过可见光相机与紫外相机对无人机巡线图像进行采集,分析了紫外相机采集原理。通过直方图均衡化处理对采集图像进行增强处理,选用高斯滤波器对采集的配电线路无人机巡视图像进行滤波处理。对配电线路密集度区域和偏心度区域进行提取,获取配电线路无人机巡视目标特征向量。依据得到的特征向量确定无人机巡视目标,求出目标质心坐标,从而实现配电线路无人机巡视目标检测。实验结果表明,所提方法能够在干扰环境下有效实现配电线路无人机巡视目标的检测,检测结果可靠性高。     

无人驾驶车辆智能控制技术发展

无人驾驶车辆可看作是具备一定自我学习能力的轮式智能机器人,体系结构可分为感知和决策,在智能控制技术的加持下,无人驾驶车辆控制技术正在阔步前进.为了优化车辆控制技术,使无人驾驶车辆控制子系统的实际执行效果达到决策系统的期望值;借助CiteSpace研究了中外无人驾驶车辆控制技术的发展、接着列举智能控制在无人驾驶中的先进应...     

基于A*算法优化的无人水面艇路径规划

为了解决A*算法在无人水面艇路径规划中无约束条件导致的安全问题,提出一种对A*算法的搜索优化和平滑优化方法。首先,对电子海图数据中的海洋环境信息进行提取,采用栅格法建立路径搜索空间的海洋环境模型,并使用坐标对栅格统一编号;其次,引入安全距离约束对A*算法进行搜索优化;最后,通过引入转向角约束,消除冗余节点达到平滑优化的效果。实验结果表明,通过对A*算法的优化处理,提高了无人水面艇路径规划的安全性,满足无人水面艇在复杂环境中全局路径规划的需求。     

水面无人艇远程控制系统设计与实验

针对海上复杂环境对水面无人艇操纵性能的影响,在风、浪等环境因素干扰下研究基于模糊PID （proportional integral differential）的无人艇航向偏差控制,开发以DSP (digital signal processing) 结合ARM为核心控制器的艇载运动控制系统,采用阿里云服务器、Web服务器、Apache服务器及MySQL数据库,研发无人艇远程控制系统,并集成研发了样船。实验表明,所研发的无人艇远程控制系统具有远程通信、运动控制、状态监测、数据存储和数据共享的功能,能够满足远程通信实时性、运动控制灵活性精确性的设计要求,进一步提高对无人艇航迹控制精度,为近海小型智能船舶的研发奠定基础。     

2020年深海潜水器热点回眸

2020年,国内外在深海装备研发领域取得显著的进展.围绕载人/无人潜水器的研发,重点介绍了2020年国际和国内的研究热点和亮点工作,分析了中国海洋技术所处的国际地位,并对中国深海潜水器领域未来的发展方向提出了建议.