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基于数据可视化的无人船航向监控系统

周庆宏  
【摘要】:“十三五”期间是中国海洋经济结构深度调整和发展方式加速转变的关键时期,把握好“一带一路”建设所带来的发展机会,保障海洋技术和经济的持续性繁荣是我国重要的发展契机。随着人工智能、大数据、云计算技术的不断发展,船舶自动化水平不断提高,无人船的各项技术发展进入了一个崭新的阶段。无人船监控技术作为其中的关键一环直接影响到了交通运输的效率及安全,船舶监控技术的运用满足了无人船安全航行的监控需求。本文主要研究内容以基于数据可视化的无人船航向监控系统为研究对象,充分利用小型无人船为实验平台。首先运用闭环增益成形算法对无人船航向控制模块进行理论分析与设计,随后利用可视化技术和云数据库架构平台,初步设计基于数据可视化的无人船航向监控系统实时监控无人船的航向变化。本文主要进行以下几方面的研究工作:(1)采用闭环增益成形算法对无人船的航向控制模块进行设计,并通过李雅普诺夫稳定性理论对闭环增益成形算法设计的航向控制器的鲁棒性和稳定性进行分析,证明了控制系统的L2增益鲁棒性能与控制器参数密切相关,可由此定量地求解出控制器参数的取值范围。(2)设计数据可视化的无人船航向监控系统,实现对无人船航向变化和其他航行状态信息的实时监控。系统包括船载控制系统和岸基控制中心两部分,利用船载控制系统端获取到无人船姿态传感器的实时串口数据,并通过串口解析程序将处理后的数据上传至阿里云数据库进行存储。在岸基控制中心端获取到云端数据后,通过三维场景管理工具OSG实时监控无人船自主航行过程中的航向状态变化,以及对无人船航行过程中的参数信息通过数字界面展示(岸基控制中心端由航海动态和仿真实验室提供技术支持)。(3)进行小型无人船的数字仿真试验与系统物理联调实验,其一,将本文所设计的无人船航向控制模块应用于小型无人船进行数字仿真试验,并与非线性反馈控制算法的对比仿真试验,结果表明:本文所提出的航向反馈控制器约有4%~12%的控制性能提升,且控制器结构简单,物理意义明确,具有非常好的应用潜力;其二,将本文所设计可视化的无人船航向监控系统与小型无人船“百川号”进行物理联调仿真试验,验证本文所提出的无人船航向控制器的稳定性和有效性的同时也表明:可视化的无人船航向监控系统可实现对无人船航向变化的实时监控,是控制无人船自主航行过程中的一种有效监控手段,满足无人船安全航行的监测需求。


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