“无人船艇自主性技术”专辑·编者按.pdf

编者按“无人船艇自主性技术”专辑编者按无人船艇作为经略海洋的重要载具和平台，将人类从繁重和危险的海事任务中解脱出来，已在海洋资源勘探、海底形貌测绘、近海安全巡查、海洋牧场运维等领域得到广泛应用。总体来讲，无人船艇的核心技术是利用先进智能手段提升其自主性，包括环境感/认知、目标识别、自主决策、智能控制等。近年来，人工智能、新一代通信技术等迅速发展，为无人船艇自主性技术发展提供了新机遇，但同时面临新挑战。中国舰船研究“无人船艇自主性技术”专辑由大连海事大学王宁教授发起，并与编辑部共同组稿、约稿。该专辑共 30 篇论文，其中 3 篇为综述论文，27 篇为研究论文，内容涵盖了无人船艇智能识别与感/认知、自主路径规划、自主避碰/避障、自主控制、自主离靠泊、最优学习控制、编队集群、典型任务自主作业、面向任务/环境的自主系统等关键技术。智能识别与感智能识别与感/认知技术认知技术：无人船艇通过环境/态势感知，实现服务于安全航行的目标检测、跟踪、导航定位等功能。“面向水面无人艇的船舶舷号识别方法”提出基于目标检测的单模型船舶舷号识别方法，通过改进目标检测模型，提高全类平均精度指标；“遮挡环境下基于航海雷达的舰船目标跟踪方法研究”提出遮挡环境综合概率互联（IPDA）算法，实现遮挡环境下航海雷达目标检测与跟踪，在目标被遮挡时仍可有效维持跟踪系统的稳定性，避免航迹断裂；“多特征融合的无人艇视觉目标长时相关鲁棒跟踪”设计基于支持向量机的水面目标重识别机制，提出基于多特征融合的长时相关鲁棒跟踪算法，有效解决恶劣海况下的目标脱靶问题。自主控制技术自主控制技术：无人船艇运动控制自主性是确保航行任务高效完成的关键保障。“变输出无模型自适应无人艇艏向控制方法分析”和“基于非线性修饰和零阶保持器的船舶航向保持控制”针对船舶航向保持问题，分别提出无模型自适应控制、双曲正切非线性修饰零阶保持控制方法；“基于二型模糊控制的无人艇航向航速控制系统设计与试验”面向航向航速耦合控制，提出基于二型模糊控制算法的航向航速控制器；“基于输入饱和的欠驱动水面舰艇预定义时间跟踪控制”针对轨迹跟踪控制问题，采用自组织神经网络技术，提出考虑输入饱和的预定义时间跟踪控制方法；“带有状态/输入量化的无人艇航向跟踪控制”结合反步法设计和动态面技术，提出带有状态/输入量化的无人艇航向跟踪控制方法。自主离靠泊技术自主离靠泊技术：无人船艇自主离靠泊技术对于营运安全性、经济性、智性提升，提供核心关键支持。“智能船舶靠泊技术研究热点与趋势”综述了国内外智能船舶靠泊技术研究现状，剖析了靠泊方式、数学模型和控制算法等研究热点及应用情况；“水面无人艇单目视觉伺服自主控制研究综述”针对自主离靠泊系统中的单目视觉伺服控制技术进行了综合性探讨，从基本原理、任务复杂度及未来研究方向和发展趋势等方面展开综述；“基于改进反步滑模控制算法的拖轮自主靠泊控制”针对拖轮自主靠泊控制问题，提出基于虚拟船引导的目标跟踪控制策略，旨在解决复杂环境下的精确靠泊问题，有望提升靠泊稳定性和安全性。“基于零空间的船舶自主靠泊自抗扰控制分配”针对船舶自主靠泊过程中遇到的环境载荷、岸壁效应、模型不确定以及控制分配误差等多源干扰的影响，提出一种基于零空间的自抗扰控制分配方法，实现船舶先镇定再平行靠泊，在保证靠泊安全性的前提下可降低船舶主控计算负荷。最优学习控制技术最优学习控制技术：无人船艇学习控制技术是近几年的热点研究方向。“基于改进 DDPG 算法的无人艇自适应控制”采用深度强化学习算法进行智能参数整定，显著提升无人船艇在复杂环境下的控制效果；“基于模型预测控制的无人帆船轨迹跟踪方法”针对“海鸥”号无人帆船设计基于模型预测控制的轨迹跟踪控制策略，优化提升水面/水下跨域异构协同观测能力；“基于智能预测控制的鱼雷状小型无人艇轨迹跟踪研究”针对狭窄湖泊和涵洞中的无人艇航行问题，提出基于智能预测控制的轨迹跟踪方法，有效提升跟踪稳定性和精度；“基于相对时变跟踪点位的无人艇目标跟踪策略”进一步提出相对时第 19卷第1期中国舰船研究Vol.19No.12024年2月ChineseJournalofShipResearchFeb.2024变跟踪点位策略，结合模型预测控制方法，显著增强目标跟踪稳定性。编队集群技术编队集群技术：无人船艇编队集群在海洋探测、任务执行和应急响应中扮演重要角色，能够有力提升作业效率。“未知扰动下的无人艇编队优化轨迹跟踪控制”采用虚拟结构法，结合控制器与扰动观测器设计，提出动态轨迹优化策略；“一种无需指定船舶位置的新型船舶大规模自主编队方法”针对船舶大规模编队面临的通信量大、编队速度慢等问题，提出虚拟壁面法，通过就近原则实现快速编队，同时可降低通信量；“具有避碰和连通性保持的多 USV 分布式事件触发编队控制”提出具备避碰和连通性保持功能的分布式事件触发编队控制方法，有效降低复杂海洋环境下的控制机构频繁动作损耗。自主路径规划技术自主路径规划技术：路径规划是无人船艇自主导航系统的重要环节，根据当前环境状况和任务需求，动态调整路径规划策略，高效完成航行任务。“基于电子海图的无人艇集群区域覆盖路径规划”通过提取电子海图中的海陆和水深信息，建立基于栅格地图的环境模型，采用轮盘选择法合理划分集群覆盖子区域，结合生成树模板法研究，实现多无人艇对海上目标任务区域的覆盖路径规划；“基于混合A*搜索和贝塞尔曲线的船舶进港和靠泊路径规划算法”利用混合 A*搜索算法快速搜索无碰撞风险轨迹，引入考虑运动学和推进器等约束的四阶贝塞尔曲线，生成靠泊路径，引导欠驱动船艇平稳、精准入泊。自主避碰自主避碰/避障技术避障技术：无人船艇安全航行的关键在于可靠避障并能实时优化航路。“基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究”针对遭遇夹击及复杂会遇情况，通过分析近海水域船舶避障因素，提出融合自适应航向、速度权值及船舶会遇态势判断的动态窗口法；“自主船舶与有人驾驶船舶动态博弈避碰决策”量化船舶会遇态势及碰撞危险，通过引入动态博弈理论，考虑船舶驾驶风格类型，提出多智能体交互的船舶动态博弈避碰决策方法；“基于模型预测的海缆铺设用水下航行器最优避障控制”建立基于模型预测控制的路径跟踪模型，提出基于模型预测的海缆铺设航行器最优避障控制方法。典型任务自主作业技术典型任务自主作业技术：无人船艇自主作业技术借助先进的无人船艇平台，以期完成精准观测、高效作业、数据获取等典型任务。“基于混合采样深度 Q 网络的水面无人艇逃脱策略”面对敌方合围战术，采用混合采样深度 Q 网络强化学习算法，优化探索效率，显著提升算法收敛速度；“基于动态规划制导的无人艇自主回收控制方法”针对欠驱动无人船艇回收需求，提出基于动态规划的跟踪控制方法，结合平行接近制导与动态窗口算法，实现目标跟踪与避障；“一种新型多旋翼无人机着舰装置及安全边界评估方法”针对旋翼无人机在海上无人平台自主安全着舰问题，设计基于“鱼叉格栅”的新型“V 形足网”式着舰装置，旨在提高无人机在海上平台自主着舰的可靠性。面向任务面向任务/环境的自主系统技术环境的自主系统技术：无人船艇面对复杂任务需求和动态环境干扰，如何自主处理任务与环境的动态耦合关系，至关重要。“船舶自抗扰无模型自适应航迹控制”设计改进的自抗扰无模型自适应控制器，有效提升控制系统适用性和鲁棒性；“面向 UUV 对接的视觉引导三维轨迹跟踪控制研究”针对自主对接问题，提出基于视觉引导的对接方案；“仿生机器鱼步态控制及闭环运动控制方法综述”探讨了底层步态控制和闭环运动控制方法，并按推进模式综述了推进机理及水动力学研究进展、轨迹逼近方法和中枢模式发生器等底层步态控制思路以及典型闭环运动控制方法。包括环境感/认知、目标识别、自主决策、智能控制等在内的无人船艇自主性技术将助力我国智能舰船领域的不断创新，创造更多价值。大连海事大学轮机工程学院王宁2中国舰船研究第19卷