本發(fā)明涉及無人船仿真測試，尤其是一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法。

背景技術(shù)：

1、為了更好地探索海洋，開發(fā)和利用海洋資源，海洋無人船都在向著無人化、智能化的方向發(fā)展。相比普通的載人船舶，小型無人船的優(yōu)勢主要有以下幾個(gè)方面：（1）體積小，能耗低，行動靈活，既可以前往遠(yuǎn)海執(zhí)行任務(wù)，也可以在淺灘、河道等特殊地形開展作業(yè)；（2）自主性高，不需要依賴船員，僅需很少的人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可以保障人員安全，能在惡劣的環(huán)境中進(jìn)行長時(shí)間作業(yè)；（3）操作精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可以減少由人工操作造成的失誤。

2、無人船在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，可能會遇到各種各樣的問題，對無人船的航行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)報(bào)對于無人船的安全和控制至關(guān)重要?，F(xiàn)有技術(shù)中，缺少一種可靠的預(yù)測方法，對無人船的動態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，包括如下步驟：

3、步驟1，對無人船模型進(jìn)行仿真，得到無人船在流體中的航行數(shù)據(jù)；

4、步驟2，搭建海洋環(huán)境仿真器，對無人船模型進(jìn)行仿真，得到無人船在海洋環(huán)境中的航行數(shù)據(jù)；

5、步驟3，將收集步驟1、步驟2的航行數(shù)據(jù)作為離線訓(xùn)練集，將無人船的海試數(shù)據(jù)作為在線訓(xùn)練集和在線驗(yàn)證集，構(gòu)建無人船數(shù)據(jù)庫；

6、步驟4，設(shè)計(jì)基于滑動窗口法的非線性儲備池算法實(shí)現(xiàn)無人船的狀態(tài)信息的在線建模預(yù)報(bào)。

7、上述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，所述步驟1具體包括：

8、步驟1.1，將無人船模型導(dǎo)入star-ccm+；

9、步驟1.2，計(jì)算域整體網(wǎng)格劃分選用六面切割體網(wǎng)格，在艇體壁面附近采用棱柱層網(wǎng)格及表面重構(gòu)；

10、步驟1.3，湍流模型采用模型；

11、步驟1.4，計(jì)算域前方邊界為速度入口邊界條件，計(jì)算域后方邊界為壓力出口邊界條件，計(jì)算域上、下及兩側(cè)邊界為速度入口邊界條件，出口邊界處采用阻尼消波方法進(jìn)行消波；

12、步驟1.5，進(jìn)行cfd仿真，收集運(yùn)動數(shù)據(jù)為離線訓(xùn)練集o1。

13、上述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，所述步驟2具體包括：

14、步驟2.1，搭建noetic海洋環(huán)境仿真器，將無人船模型導(dǎo)入到海洋仿真環(huán)境中；

15、步驟2.2，基于船體分割法設(shè)計(jì)水動力動態(tài)插件；

16、步驟2.3，基于分量波的總和來確定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處的水面位移，基于船舶網(wǎng)格點(diǎn)相對于水面的位置來確定所產(chǎn)生的浮力，將受力情況直接施加到對應(yīng)的網(wǎng)格點(diǎn)，根據(jù)每部分的水面位移以及受力情況實(shí)現(xiàn)無人船姿態(tài)的動態(tài)變化；

17、步驟2.4，收集運(yùn)動數(shù)據(jù)為離線訓(xùn)練集o2。

18、上述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，所述步驟2.2具體包括：將無人船模型分為六部分；基于船舶的當(dāng)前位置和姿態(tài)確定船體網(wǎng)格點(diǎn)的位置，在位置處用gerstner波與三個(gè)獨(dú)立的疊加波函數(shù)對每個(gè)部位的分量波進(jìn)行計(jì)算，并在處生成波高，具體計(jì)算公式為：

19、；

20、其中，對于每個(gè)分量波，i是仿真時(shí)刻，n是結(jié)束時(shí)刻，是陡度，是振幅，是波矢量，是角頻率，是相位；波矢量是波傳播方向上的水平矢量，其幅值等于波數(shù)，其中是波長。

21、上述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，所述步驟3具體包括：

22、步驟3.1，選取部分海試數(shù)據(jù)為在線訓(xùn)練集，在在線訓(xùn)練集中選取部分海試數(shù)據(jù)作為在線驗(yàn)證集f；

23、步驟3.2，從離線訓(xùn)練集中選取n個(gè)數(shù)據(jù)樣本；從離線訓(xùn)練集中選取n個(gè)數(shù)據(jù)樣本；從在線訓(xùn)練集中選取2n個(gè)數(shù)據(jù)樣本；

24、數(shù)據(jù)樣本中主要包含軸線速度，軸線速度，軸線速度，舵角，航向角；當(dāng)每個(gè)訓(xùn)練集隨著時(shí)間窗口移動時(shí)不斷從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

25、上述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，所述步驟4具體包括：

26、步驟4.1，根據(jù)總訓(xùn)練集輸入數(shù)據(jù)構(gòu)建線性向量:

27、;

28、其中，是仿真時(shí)刻，是時(shí)間間隔,?是時(shí)間延遲個(gè)數(shù)；，是輸入數(shù)據(jù)的維數(shù)，是向量的順序連接，總訓(xùn)練集包含；

29、根據(jù)總訓(xùn)練集輸入數(shù)據(jù)構(gòu)建非線性向量:

30、;

31、其中是階數(shù)，是收集兩項(xiàng)外積結(jié)果中唯一單項(xiàng)式的算子；

32、構(gòu)建總特征向量:

33、;

34、其中是，是舵角，為海洋環(huán)境中表現(xiàn)出的強(qiáng)非線性系數(shù)，為超參數(shù)；表示向量的隨機(jī)連接，展現(xiàn)海洋環(huán)境的隨機(jī)性；

35、輸出預(yù)測向量為:

36、；

37、其中，是?中的一個(gè)或多個(gè)的組合，表示海試數(shù)據(jù)的真實(shí)輸出信息；代表儲備池計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的輸出權(quán)重；

38、誤差mse為:

39、；

40、其中，表示樣本數(shù)量，表示樣本真值；

41、步驟4.2，無人船啟動前，基于離線訓(xùn)練集和離線訓(xùn)練集的樣本數(shù)據(jù)完成非線性儲備池計(jì)算模型的離線訓(xùn)練；無人船啟動后，在離線訓(xùn)練集中加入在線訓(xùn)練集樣本繼續(xù)訓(xùn)練，對無人船未來時(shí)刻的狀態(tài)信息進(jìn)行建模預(yù)報(bào)，設(shè)計(jì)時(shí)間窗口的滑動完成對久遠(yuǎn)歷史數(shù)據(jù)的舍棄與新數(shù)據(jù)選取。

42、上述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，所述步驟4.2對久遠(yuǎn)歷史數(shù)據(jù)的舍棄與新數(shù)據(jù)選取具體為：

43、設(shè)定誤差閾值，若，不舍棄時(shí)間窗口位置之前的歷史數(shù)據(jù)，繼續(xù)完成非線性儲備池計(jì)算模型對未來時(shí)刻狀態(tài)信息的預(yù)報(bào)；若，根據(jù)時(shí)間窗口的滑動，舍棄時(shí)間窗口位置之前的歷史數(shù)據(jù)，重新選擇時(shí)間窗口之后的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，將時(shí)間窗口最后位置的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)加入至總訓(xùn)練集，結(jié)合歷史信息與當(dāng)前時(shí)刻信息重新對非線性儲備池計(jì)算模型進(jìn)行訓(xùn)練，完成對未來時(shí)刻狀態(tài)信息的預(yù)報(bào)。

44、本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)、物理仿真環(huán)境以及真實(shí)海洋環(huán)境的動態(tài)特性，能夠使無人船真實(shí)海洋環(huán)境中利用小樣本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的在線建模預(yù)報(bào)，為無人船的避碰、規(guī)劃與控制提供有效的先驗(yàn)信息，安全有效的完成航行任務(wù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述步驟1具體包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述步驟2具體包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述步驟2.2具體包括：將無人船模型分為六部分；基于船舶的當(dāng)前位置和姿態(tài)確定船體網(wǎng)格點(diǎn)的位置，在位置處用gerstner波與三個(gè)獨(dú)立的疊加波函數(shù)對每個(gè)部位的分量波進(jìn)行計(jì)算，并在處生成波高，具體計(jì)算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述步驟3具體包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述步驟4具體包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，其特征在于，所述步驟4.2對久遠(yuǎn)歷史數(shù)據(jù)的舍棄與新數(shù)據(jù)選取具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于仿真技術(shù)的無人船狀態(tài)信息在線建模預(yù)報(bào)方法，涉及無人船仿真測試技術(shù)領(lǐng)域，構(gòu)建無人船數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，包括通過無人船模型在star?ccm+真實(shí)流場、Noetic海洋環(huán)境中模擬得到的仿真數(shù)據(jù)以及通過真實(shí)海試中采集的數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)基于滑動窗口算法的非線性儲備池計(jì)算算法對狀態(tài)信息進(jìn)行在線建模預(yù)報(bào)。本發(fā)明結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)、物理仿真環(huán)境以及真實(shí)海洋環(huán)境的動態(tài)特性，能夠使無人船真實(shí)海洋環(huán)境中利用小樣本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息的在線建模預(yù)報(bào)，為無人船的避碰、規(guī)劃與控制提供有效的先驗(yàn)信息，安全有效的完成航行任務(wù)。

技術(shù)研發(fā)人員：丁碩,金久才,劉德慶,馬毅,張杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油大學(xué)（華東）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9