中学组一等奖作品
目前船舶航行多数是靠船长经验和海图以及技术趋于成熟的GPS导航系统。 一方面，由于人为的误判或因未及时发现障碍物而发生的海事事故屡见不鲜，如1912年，“不沉底”远洋定期客轮“泰坦尼克”号的处女航由于在黑夜中未及时观察到前方的冰山，不能及时避开冰山而发生碰撞，导致其在短短的几个小时之内就沉没于北大西洋，成为世界上最著名的海难事故。而海图不具有实时性，受到多种因素的影响，如多变的天气、洋流，未标注的暗礁，由于长时间地质变化而引起的地质改变等，因此不能有效的反映航线，指导航行。另一方面，在利用GPS导航上，我国不具有主动性，被动依靠美国技术，一旦国际形势有变会受到诸多制约。所以，如何依靠现有的科学技术建立先进方法来弥补以上不足，显得迫在眉睫。
随着我过北斗卫星导航系统的不断完善，我国自主研发建造的导航系统正在军用民用导航系统中起着越来越重要的地位，同时标志着我国导航系统正走出受到国外制约的时代。卫星制导已广泛用到无人机及导弹等军事领域，但是该方法依旧受到多方面的制约，如多变的天气，制导方式单一，由于长时间地质变化而引起的地质改变，数据陈旧等。本项目研究的目的在于融合多方卫星与地面数据构造完整的地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人交通系统，并逐渐摆脱对国外技术的依赖。
1.3应用推广前景和预期的社会经济效益
本系统具有实时性、高效性、可靠性等特点。经过气象卫星数据，地面数据等多方数据融合，有效的提高了卫星自导航线的可执行性和安全性。该系统有利于企业降低劳动力成本、运营成本及管理成本，有利于政府综合监管与指挥。经过计算优化后的航线可以有效降低对海员自身素质的要求，缩短航线距离，提高航运速度，从而降低运营成本。
本系统一旦得以实现，将对我国航运行业产生积极的影响，产生巨大的经济效益。同时，国外船舶在看到诸多优点后也会应用本系统作为航行指导系统，如同目前的GPS系统，这不但为本系统获得巨大受益，使各国达到对北斗系统的依赖性，增强我国军事主动性和发言权。本系统经过改进后可用于航空和陆地领域，应用前景广泛。
二、研究内容和目标 2.1主要研究内容
本项目主要研究的内容是融合多卫星数据在海运方面的无人自航避障及导航技术。
2.2关键技术、技术创新及研究方法和技术路线； 2.2.1关键技术：
（1）多卫星的不同分辨率、不同空间位置、不同时间的各类数据与各类地面数据的融合；
（2）以北斗卫星为基础的导航系统统筹各方面数据对航线的合理规划；
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（3）船舶在发现障碍物时的避障控制系统。
（4）枢纽通航建筑物, 跨河建筑物及航道的通航水流条件 （5）航线选择及航道整治 （6）航道不稳定流对航行的影响 （7）通航标准试验研究等。 2.2.2技术创新：
各种卫星监测均有其各自的优缺点，将各种监测卫星数据结合，有利于充分发挥各卫星优点，提供的数据分辨率更高，精度更好，覆盖区域更广，监测时间更全面。
研究方法：模型实验，详见第五部分。
2.3．项目的总目标和阶段目标（含预期知识产权状况）； 2.3.1总目标：
构造完整的地域数据库，从而形成一个精确性高，实时性好，操纵性好，安全可靠的无人海上交通系统。
2.3.2阶段目标：
第一步，完成自航模型的遥控；
第二步，完成航行船前方障碍物的探测； 第三步，完成预设数据的自动航行； 第四步，完成船模航行中的自动避障；
第五步，完成船模到实船的北斗卫星导航自动避障； 第六步，推广到军用、民用各领域。
三、实现项目预期目标所具备的工作基础和条件 3.1工作基础：
①较长时间的气象、水文资料； ②北斗系统具有较高精度的定位能力； ③中央指挥系统具有强大的运算能力 3.2工作条件：
①大连理工大学船舶实验水池 水池长度：160m，水池宽度：7m，水池深度3.8m
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四、计划进度与考核指标
4.1设计有关自航和自主危险回避船舶的原理：
由于各种卫星监测均有其各自的优缺点，而且不同卫星的功能也不相同，所以将各种监测卫星数据结合有利于发挥各卫星优点。所以本项目的北斗卫星导航系统，就基于综合数据的应用。
首先，地面控制室获得从气象卫星，微波遥感卫星，红外卫星等卫星得到的数据，综合多年记录和各地各类观察站得到的数据，通过计算机系统计算整理，综合所有的卫星信息，获得最佳的行驶航线。然后地面中央控制中心根据雷达及遥测系统综合提供的各种参数，通过计算机计算，对照预定的方案进行设计修订，确定切实可行的控制方案，由操作人员或者计算机通过北斗导航系统向无人驾驶船舶发出控制指令。同时，船舶也通过自身的传感器获得本身的行驶状况，并将其通过信号传输给北斗导航卫星，地面控制室也通过北斗导航卫星获得船舶在海中的方位、行驶情况等，对船舶进行相应的控制，使船舶顺利地执行既定的行驶任务。如图1，图2。
图1北斗自航系统原理简图
图2北斗自航系统原理示意图
4.2控制系统详细设计：北斗导航卫星遥控无人驾驶船舶
为了执行某项任务，无人驾驶船舶可能驶到很远的地方，以至于人们用肉眼
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观察不到它在海里的姿态和位置。为了解决这个问题，对无人驾驶的船舶，可以借助卫星对远方目标的参数及状态进行测量。安装在无人驾驶船舶上的测遥发射系统能把船舶的速度、发动机转速、船舶行驶姿态等参数不断传送给北斗导航系统，地面控制中心接受系统及显示装置接收并显示这些参数，并根据参数做出相应响应，通过导航系统反馈给无人驾驶船舶。
除了可以通过北斗卫星导航系统和地面中心的联合作用控制舵面及其他结构外，还可以用自动控制设备自动驾驶。安装在船舶上的各种传感器直接感受船舶行驶时的各种参数，并将其变为电信号，这些电信号通过运算放大器直接加到舵机等执行电路上，对无人驾驶船舶的姿态进行控制。
五、实验模拟 5.1实验原理：
本实验的遥控系统是由传感器、发生器、接收器和控制器等组成，如图3所示：[3]
图3遥控系统原理图
传感器可以分为两类。一类是由直接接受外界的各种信号，将其转换成电信号输出。另一类是传感器自身能发射出某种波，如红外线波、超声波、微波等，这些波遇到障碍物后能反射回来被传感器接收，并将它们转换成电信号，从所接受的反射波中分析出障碍物的不同性质，如距离、颜色、移动速度等。发射器的作用是根据它接收到的指令信息向接收器发射某种信号的波，这种波多半是超声波、红外线波、电磁波、激光等。接收器的作用是远距离接受发射来的含有某种指令的信号，将它们转换为电信号并加以放大，送往控制电路。控制器根据发射器发出的指令，向不同通道输出各种脉冲直流电压执行某些特定的任务。控制器主要根据接收器所接受的信号强度来控制负载。
5.2实验设计：
红外传感器（模拟多卫星数据、已有数据和各地各类观察站数据）； 遥控器（LT-CC1000射频模块，模拟中央控制中心）； 接收器（LT-CC1000射频模块，模拟北斗导航系统）； LPC2103型ARM开发板（模拟控制系统）； 摄像头（模拟船员视角）。
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图4船模布置示意图
5.3实验过程: 5.3.1实验设备：
利用已有2m长木模模型船进行动力改装； 遥控设备为SPRINGRC 2.4GHz 六通道遥控器； 接收机为SPRINGRC 2.4GHz 六通道接收机； 舵机为SMS8166M金属齿大扭力舵机，30kg/cm； 电动机为，24V，300W，3000r/min,直流无刷电机； 电机控制器为MMT-4Q带有正反转功能； 供电系统为24V铅蓄电池； 实验用舵为NACA2210翼型； 实验用螺旋桨为右旋，直径100mm； 6V，1000mhA，氢镍电池组。
5.3.2实验地点:大连理工大学船舶实验水池
水池长度：160m，水池宽度：7m，水池深度3.8m 5.3.3实验过程： （1）第一阶段：
实验初步阶段较为简单，利用舵机调节调速器从而改变电机转速控制航速，利用30kg大扭力舵机操纵舵，从而达到控制航向的目的，利用舵机控制正反转开关，从而控制正反转。将船模进行如图5，图6，图7改装：
① 调试遥控设备，记录各通道用途与对应关系，熟悉遥控器的使用； ② 将电机、调速器、舵机与遥控装置相连 ，调试控制正反转，调速功能，控制舵角功能；
③加装尾轴管，尾轴，螺旋桨，舵等设备到船模上；
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