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基于“海豚1”的船舶自主靠离泊控制算法研究与试验

摘要

近年来随着船舶智能化水平的飞速发展，船舶无人化渐渐成为船舶技术发展的趋势。

由于人工操控船舶在港口和码头靠泊过程中事故高发，造成较大损失，因此在船舶无人

化技术的研究中，船舶自主靠离泊技术成为热点问题。自主靠离泊问题的研究中存在较

多难点，如：船舶模型的不准确性、海洋环境因素造成的非线性干扰力、驶入泊位过程

中产生的岸壁效应等。

本文依托哈尔滨工程大学“海豚1”科研试验船和厦门港5000HP绿色智能拖轮，

以智能态势感知项目和智能航行项目为基础，研究自主靠离泊控制算法及其应用。本文

的主要研究工作在哈尔滨工程大学青岛科技园哈船智控科技有限公司完成，研究期间的

实船实验通过“海豚1”实验平台完成，主要实验地点为青岛日月天码头。本文主要工

作内容为：

首先通过分析船舶运动学模型和动力学特性建立“海豚1”船舶三自由度平面运动

模型，并建立风、浪、流等海洋环境干扰力数学模型，在MATLAB仿真环境中进行“海

豚1”船舶数学模型验证仿真实验。其次，研究了船舶推力分配问题的数学描述，建立

了“海豚1”推力分配模型，推导出“海豚1”推力分配的目标函数与约束条件，并在

MATLAB仿真环境下进行了“海豚1”推力分配仿真实验。再次，提出了先跟踪靠泊路

径到泊位外，后平行靠泊驶入泊位的靠泊方案，基于二阶贝塞尔曲线设计自主靠离泊路

径规划算法，优化出曲率平滑变化的靠离泊路径；利用卡尔曼滤波算法设计了船舶状态

观测器，有效滤除了一阶波浪力对船舶位姿产生的高频噪声；研究了模型预测控制算法

（MPC）和串级PID控制算法在“海豚1”自主靠离泊控制中的应用，分别设计了MPC

和串级PID自主靠离泊控制器；在MATLAB仿真环境下进行了基于MPC控制器的“海

豚1”自主靠离泊仿真实验，证明了MPC算法在船舶自主靠离泊控制中的有效性。本文

同时研究了基于毫米波雷达的泊位探测系统，根据毫米波雷达的工作特性和数据特点设

计开发了船舶自主靠离泊泊位探测软件系统，提出了网格密度和RCS阈值双重降噪法、

泊位直线特征点提取算法，对毫米波雷达原始数据中的虚假目标等噪点进行有效滤除，

并在青岛古镇口码头进行了“海豚1”自主靠离泊泊位探测实验，对泊位探测软件系统

进行了测试。最后，设计开发了“海豚1”船自主靠离泊控制软件，并在青岛日月天码

头进行了“海豚1”船自主靠离泊实验，对本文研究的船舶自主靠离泊控制算法进行了

试验和应用。

关键词：“海豚1”；自主靠离泊控制算法；模型预测控制；串级PID控制；毫米波雷达

基于“海豚1”的船舶自主靠离泊控制算法研究与试验

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofshipintelligenceinrecentyears,unmannedshipshave

graduallybecomethetrendofshiptechnologydevelopment.Duetothehighincidenceof

accidentsintheprocessofberthingatportsandwharvesofmanuallycontrolledships,resulting

inlargelosses,thetechnologyofautonomousberthingandunberthingofshipshasbecomea

hotissueintheresearchofunmannedshiptechnology.Therearemanydifficultiesinthestudy

ofautonomousberthingandunberthingproblems,suchastheinaccuracyoftheshipmodel,the

nonlineardisturbanceforcecausedbymarineenvironmentalfactors,andtheshorewalleffect

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