论文总字数：22680字

摘 要

三峡葛洲坝船闸过闸货运量不断的迅速增长，这已经远远超过了三峡葛洲坝船闸设计的通过能力，并且船舶数量以及体力的不断加大使得过闸所需时间增大。不仅如此，控制船舶精准停船位置的系统操作难度也不断增大，船舶难以精准操作也加大了闸室内船舶碰闸的风险。

目前，与船舶精准过闸有着密切相关的主要包括航速控制，定位系统以及船舶状态感知系统。随着科技的进步也带动了这些系统的发展，因此实现船闸水域多船航行同步控制以及船舶精准定位控制成为了可能。为了能够保障三峡水域事业的运行效率以及安全过闸，使其继续成为长江流域经济发展的安全保障，本文对船闸水域编队航行感知系统展开研究，希望能实现更高精准高效率的技术方案。

具体研究工作包括：

1. 设计了船舶编队过闸航行动态感知系统，系统分为环境感知模块、船舶自身状态感知模块以及通信与控制模块。介绍了其组成以及技术方法，并分析了相关设备的工作原理、参数以及数据处理流程。

（2）分析了毫米波雷达的优势，经过调节毫米波雷达参数以及限幅滤波方法对数据进行筛选，提出了闸室内毫米波雷达目标角度设置方法，并初步验证了方法的有效性。
（3）进行了三峡-葛洲坝航区船舶编队过闸性能测试实验，包括单船过闸和多船同步过闸的实验验证。

关键词：船闸；船舶编队；感知系统；毫米波雷达

Abstract

The rapid increase in the volume of cargo passing through the gates of Gezhouba in the Three Gorges has far exceeded the capacity of the design of the locks. Moreover, it is difficult to operate the system to control the precise stop position of the ship, and it also increases the risk of the ship touching the lock.

At present, the speed control, the positioning system and the ship state sensing system are closely related to the ship's precision crossing. With the development of science and technology, it is possible to realize the synchronous control of multi-ship navigation and the precise positioning control of ship. In order to ensure the operation efficiency and safety of the Three Gorges water area and make it continue to be the safety guarantee for the economic development of the Yangtze River basin, this paper studies the navigation perception system of ship lock water formation, hoping to achieve a more accurate and efficient technical scheme.
Specific studies include:

1.  The dynamic sensing system of ship formation crossing gate is designed, which is divided into environment sensing module, ship's own state sensing module and communication and control module. Its composition and technical methods are introduced, and the working principle, parameters and data processing flow of related equipment are analyzed.
2.  The advantages of millimeter-wave radar are analyzed. After adjusting the parameters of millimeter-wave radar and filtering the data, a method of setting the target angle of millimeter-wave radar is proposed.

(3) The performance test of ship formation crossing in the Three Gorges Gezhouba navigation area was carried out, including single ship crossing and multi-ship synchronous crossing.

Key words: ship lock; ship formation; perceptual system; millimeter wave radar

目 录

第1章 绪论 6

1.1 研究背景及意义 6

1.2 国内外研究现状 6

1.2.1 船舶编队控制系统研究现状 6

1.2.2 船舶航行感知技术研究现状 7

1.3 章节安排 9

第2章 船闸水域编队航行感知系统设计 9

2.1 系统需求分析 9

2.2 环境感知子系统设计 11

2.3 船舶状态感知子系统设计 11

2.3.1 电罗经 12

2.3.2 差分GPS 13

2.4 控制与通信子系统 16

2.4.1 系统架构 16

2.4.2数据通信 16

2.5 环境感知软件设计 16

2.5.1 过闸感知软件设计 16

2.5.2 岸基显示软件设计 17

2.6 本章小结 18

第3章 基于毫米波雷达的船舶编队状态感知技术 20

3.1 毫米波雷达数据分析及布设 20

3.1.1 毫米波雷达数据分析 20

3.1.2 毫米波雷达布设 23

3.2 毫米波雷达数据滤波 24

3.3 毫米波雷达数据误差分析 25

3.4 本章小结 25

第4章 船舶编队过闸航行感知系统测试 27

4.1 实验平台 27

4.1.1 实验场景 27

4.1.2 实验船舶 27

4.2跟船航行感知试验测试 31

4.2.1 实验过程及方法 31

4.2.2 实验结果及分析 31

4.3单船过闸航行感知实验测试 32

4.3.1 实验过程及方法 32

4.3.2 实验结果及分析 33

4.4本章小结 34

第5章 总结与展望 35

5.1 总结 35

5.2 展望 35

参考文献 36

致 谢 38

第1章 绪论

• 1. 研究背景及意义

新世纪以来，我国经济发展迅速。在国富民强的背景推持下，我国交通事业发展早已经不局限于铁路、汽车、以及航空航天，水域交通也成为了体现我国蓬勃发展的重要标签。但是，随着水域事业的不断发展，船舶数量不断增加，并且自身的体积、吨位以及速度都在不断增长，这便导致水上作业遇到了一系列麻烦如船舶碰撞、船舶撞桥等，使得内河航运发展受到了阻碍。每一艘船耗费了大量的人力物力，这些事故的放生会导致巨大的财产损失以及人员损失，并且还会牵连生态系统的平衡。

针对上述问题，本文展开研究。首先以三峡船闸水域为例。三峡葛洲坝船闸过闸货运量不断的迅速增长，这已经远远超过了三峡葛洲坝船闸设计的通过能力，并且船舶数量以及体力的不断加大使得过闸所需时间增大。不仅如此，控制船舶精准停船位置的系统操作难度也不断增大，船舶难以精准操作也加大了闸室内船舶碰闸的风险。

目前，与船舶精准过闸有着密切相关的主要包括航速控制，定位系统以及船舶状态感知系统。随着科技的进步也带动了这些系统的发展，因此实现船闸水域多船航行同步控制以及船舶精准定位控制成为了可能。为了能够保障三峡水域事业的运行效率以及安全过闸，使其继续成为长江流域经济发展的安全保障，本文对船闸水域编队航行感知系统展开研究，希望能实现更高精准高效率的技术方案。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 船舶编队控制系统研究现状

编队控制是当今多智能体研究的热点问题，很多科研机构也着手于编队控制的讨论与研究。并且大量有关编队控制的论文在国际知名期刊上发表。编队控制是指多个智能体组成的团队在向特定的目标或方向运动的过程中相互之间保持预定的几何状态同时又要适应环境的约束的控制问题，一般而言编队控制借助智能体间的局部交互实现多智能体系统的群体行为，从而解决全局性的任务。现有文献中，编队控制研究的主要方法有三种，分别是跟随领航者法、基于行为法和虚拟结构法。

（1）跟随领航者法

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