桥区河段船舶操纵运动仿真及航迹控制研究

摘要

船舶无人驾驶是航运业未来发展的一大趋势。目前，局部海洋环境的船舶自动航行已经实现，而在内河尤其是通航条件较为复杂的各典型河段，仅依靠人员经验驾驶船舶无法适应未来航运业的发展。因此，要实现内河船舶无人驾驶的目标，首先应在包括桥区在内的典型河段中实行船舶自主航行。而近年来，长江干线跨江桥梁数量稳步增长。桥梁建设在改善陆上交通的同时，也增加了发生船桥碰撞事故的危险性。统计表明人为失误因素约占船桥碰撞事故致因的70%。然而现行规章制度要求船舶过桥必须人工操舵。因此，船桥碰撞事故致因的人为失误所占比例较高和桥区船舶强制人工操舵的矛盾成为了桥区船舶通航安全关键问题之一。对桥区河段特征和船舶过桥规律进行分析，实现船舶通过桥区的自动控制，是解决此关键问题的有效方案。 本文依托湖北省自然科学基金项目“长江干线武汉辖段连续桥区水域桥群安全间距研究”，针对桥区河段船舶操纵运动仿真及航迹控制展开研究。首先，以长江武汉段作为桥区河段的研究对象，分析归纳桥梁分布、间距、通航孔、轴线等特征；基于桥区河段的船舶AIS信息对航迹进行还原，结合船舶过桥的航行规律，分析船舶上水和下水过桥的航迹带特征，建立适用于船舶自主航行安全过桥的航迹段尺度模型。 其次，基于MMG分离型模型思想，选取典型内河船舶作为仿真实验的对象，结合船舶过桥实际，将风、流干扰和浅水效应纳入考虑，对静水环境和外界干扰下的船舶旋回运动进行仿真。 再次，针对传统PID航向控制器参数需要人为整定的缺陷，将差分进化算法应用到船舶航向控制中，同时为进一步提高算法性能，对缩放因子和交叉因子进行调整，设计了改进差分进化PID航向控制器，在静水环境和外界干扰中均取得较好的控制效果。 最后，在航向控制的基础之上，将改进差分进化算法直接应用到航迹控制中，采用直接控制的方法设计航迹控制器。根据桥区河段船舶上水过桥和下水过桥的航迹段建模，将静水环境和外界干扰中的船舶上水和下水的航迹控制进行数值模拟。 本研究可作为船桥碰撞预警预控理论体系的补充，从而促进桥区船舶通航安全保障技术的发展；同时，还可为开展更深层次的桥区水域船舶自主航行方面的研究奠定良好的基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 船桥通航安全

1.3.2 船舶运动数学模型

1.3.3 航迹控制

1.4 主要研究内容及创新点

1.4.1 论文技术路线

1.4.2 主要研究内容

1.4.3 本文的创新点

第2章 桥区河段航迹段建模与船舶操纵运动仿真

2.1 桥区河段航迹段建模

2.1.1 桥区河段航迹段的定义

2.1.2 桥区河段特征分析

2.1.3 船舶航迹特征分析

2.1.4 船过桥航迹段横向尺度分析

2.1.5 船过桥航迹段纵向尺度分析

2.1.6 桥区河段航迹段模型总结

2.2 桥区典型船舶操纵运动建模与仿真

2.2.1 坐标系的建立

2.2.2 MMG模型

2.2.3 环境干扰模型

2.2.4 典型船舶参数

2.2.5 操纵运动仿真分析

2.3 本章小结

第3章 基于改进差分进化PID的桥区船舶航向控制

3.1 船舶航向控制原理

3.2 PID航向控制

3.2.1 PID控制原理

3.2.2 PID航向控制模拟

3.2.3 传统PID航向控制的局限

3.3 基于差分进化算法PID的航向控制

3.3.1 差分进化算法原理

3.3.2 标准差分进化PID航向控制

3.4 基于改进差分进化算法PID的航向控制

3.4.1 改进差分进化算法原理

3.4.2 改进差分进化PID航向控制数值模拟

3.5 本章小结

第4章 基于改进差分进化PID的桥区船舶航迹控制

4.1 船舶航迹控制原理和方法

4.1.1 航迹控制概述

4.1.2 间接航迹控制

4.1.3 直接航迹控制

4.2 基于改进差分进化算法PID的航迹控制器设计

4.2.1 LOS导航算法

4.2.2 航迹误差计算

4.2.3 航迹控制方法的选择

4.3 船舶过桥航迹控制数值模拟

4.3.1 船舶上水过桥航迹控制数值模拟

4.3.2 船舶下水过桥航迹控制数值模拟

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果和参研项目