摘 要

为了完成船舶自动化的目标，实现船舶在海上智能航行，船舶路线规划是一个十分重要的课题。所以，其中两个重要的问题是：感知周围环境和进行算法规划。国内外有不同的导航技术和路径规划原理，也衍生出不同的理论。

自主航行的流程。为了解决这两个问题，首先要了解其中的关系。通过环境感知，即了解到周围环境的信息后，进行路径规划的算法分析，进而找到一条最合适的路线，然后控制船舶进行自动航行，实现自动化和无人驾驶。

导航设备的选用。要解决环境感知的问题，通过比较多种导航设备，例如VTS、AIS、北斗卫星、雷达等，或综合使用，选择出最适合当前海域和当前环境下的导航设备，同时结合通讯协议，为船舶提供准时、高效的通讯条件，使得船岸一体化，增加船舶安全性，降低船舶发生事故的风险。

船舶建模。以实现传播能够安全在海上航行，在面对风浪时不会发生危险，本文通过对船舶进行建模，考虑到船舶的受力情况，分析受力和力矩，分析船舶的运动学和动力学方程。考虑到风浪的影响，通过船舶的横摇角度、角速度、角加速度，算出船舶在横浪和斜浪两种不同情况下的参数方程。由此引申，再考虑到船舶有负载时，风浪和负载对船舶的影响，进而保证船舶航行安全。

路线规划。最终的目的是实现船舶航线规划。在第五章，要对周围环境建模，通过建立模型，了解到船舶周围海域的安全情况。同时可以把环境栅格化，通过模拟航行来进行最优路线规划。再通过粒子群算法，结合栅格化，进行路径规划。通过引入惩罚机制，来进行线路筛选，找到最适合的一条路径。

关键词：船舶导航；导航设备；路径规划；粒子群算法；船舶建模；

Abstract

In order to achieve the goal of ship automation and realize the intelligent navigation of ships at sea, ship route planning is a very important subject. Therefore, the two important issues are: perception of the surrounding environment and algorithmic planning.There are different navigation techniques and route planning principles at home and abroad, and different theories are derived.
The process of autonomous navigation.In order to solve these two problems, the first step is to understand the relationship between them. Through environmental awareness, that is, after learning the information of the surrounding environment, the algorithm of path planning is analyzed to find the most suitable route, and then the ship is controlled to carry out automatic navigation, realizing automation and unmanned driving.
Selection of navigation equipment.To solve the problem of environmental awareness, by comparing a variety of navigation equipment, such as VTS and AIS, beidou satellite, radar, or comprehensive use, choose the most suitable for the current navigation equipment of sea area and the current environment, combining with communication protocol at the same time, provide ship on time, the highly effective communication conditions, makes the integration of ship to shore and increase the shipamp;apos;s safety, reduce the risk of Marine accidents.
Ship modeling.In order to realize the transmission can safely sail on the sea and no danger will occur in the face of wind and waves. In this paper, by modeling the ship, taking into account the force of the ship, the force and torque are analyzed, and the kinematic and dynamic equations of the ship are analyzed. Considering the influence of wind waves, the parametric equations of the ship under the conditions of transverse wave and oblique wave are calculated by the roll Angle, angular velocity and angular acceleration of the ship. Therefore, considering the impact of wind waves and load on the ship when the ship is under load, the navigation safety of the ship can be guaranteed.
 Route planning.The ultimate goal is to realize ship route planning. First of all, it is necessary to build a model of the surrounding environment to understand the security situation of the sea around the ship. At the same time, the environment can be rasterized and the optimal route planning can be carried out by simulating navigation. Then, by particle swarm optimization and rasterization, path planning is carried out. By introducing a penalty mechanism, we can filter the routes to find the most suitable path.

Key word: Ship navigation; AIDS to navigation; Path planning; Particle swarm optimization; The ship model.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 国内外现状 1

1.2 船岸一体化 1

1.3 研究内容 2

1.3.1自主导航技术 2

1.3.2 船岸一体化设计 3

1.4 创新及方案 3

第2章 船舶自主航行 5

2.1 国内外现状 5

2.2 自动航行原理 7

2.3 自动航行特点 7

2.4 自动航行系统主要组成 8

2.5 自动航行系统功能 11

第3章 船岸一体化 12

3.1 通信与导航设备 12

3.1.1电子海图 12

3.1.2雷达 13

3.1.3自动识别系统AIS 15

3.1.4 VTS 16

3.1.5北斗卫星 17

3.2 船舶导航 17

3.2.1惯性导航系统INS 18

3.2.2声学导航 18

3.2.3地球物理导航 19

3.2.4组合式导航技术 19

3.3 通讯协议 21

3.3.1 TCP/IP协议 22

3.3.2 UDP协议 23

第4章 自主航行的动力学和运动学 26

4.1 坐标系的设定 26

4.2 基本假设 26

4.3 船舶的动量和动量矩 26

4.4 作用在船舶上的外力 27

4.4.1理想流体惯性力 27

4.4.2流体粘性位置力 27

4.4.3流体粘性阻尼力 28

4.4.4浮力 28

4.4.5重力 28

4.4.6推力 28

4.5 船舶的动力学方程 29

4.6 船舶的运动学方程 30

4.7 风浪对船舶的影响 31

第5章 路径规划 34

5.1 路径规划 35

5.2 蚁群算法 37

5.3 粒子群算法及改进 37

5.3.1粒子群算法 37

5.3.2栅格化环境建模 38

第6章 总结与展望 42

6.1 总结 42

6.2 展望 42

参考文献 43

致 谢 46

第1章 绪论

• 1. 国内外现状

众所周知，我们生活在一个水的星球。陆地面积占地球表面积的21%，而更多的则是海洋。因此，海洋与人类生活息息相关。随着越来越多的国家意识到海洋与人类的可持续发展的重要性，各个国家逐渐重视起对海洋的开发和利用。更多的国家开始对本国的海洋事业发展投入大量资金，也带动了很多关于探索海洋科技的发展。由此可知，21世纪各个国家的重点开发对象是海洋，是关于有关海洋探索的科技竞争。

其中，各国争相开发、研究的是远程自主式水下航行器 ( 简称 AUV )， 作为船舶的一种，它是一种可以既在军队中服役，也可以在民用中发挥重大作用的集成系统，它可以实现自主航行、根据所提供的命令，进行模块化组合的智能化水下航行器的出现，通过减少数据收集的成本和提高了更精确的地理位置坐标，改变了收集海洋数据的过程，为海上科学研究提供了新的解决方案。现如今，出现了更小、更轻、更便捷的设备，可以让数据采集更为方便和便宜；同时更多的设备外形和原型，也提供了更多的解决方案和新的算法。通过这个可编程的机器人，AUV可以在海洋中漂浮、巡航或者滑行。因为经过了编程，AUV可以到达任何指定的点，或者记录整个行程的数据。AUV的出现，帮助科学家的研究从受控的科学环境转向了更具有挑战性的地域^[1]。