智能船舶自主航行非线性鲁棒自适应控制

随着物联网、大数据、人工智能（AI）、5G通信技术等高新技术的迅速发展和广泛应用，船舶正逐步引入智能航行要素，船舶自主航行技术应运而生，实现完全自主安全航行成为船舶智能化发展的终极目标。根据国际海事组织等权威机构对船舶智能航行的功能分级，智能航行最高级别为自主驾驶，即无人化系统自主驾驶。近年来，挪威、瑞典、芬兰、荷兰、美国、日本、韩国以及我国的科研人员都做了大量的相关研究，也实现了自主避碰、远程遥控和部分自主航行，但在技术层面上，现今的船舶自主化水平不足以满足理想状态下的大规模完全自主商业化运营，因此需要在相关领域进行深入研究。

作者多年来在船舶自主航行控制领域从事科研工作，积累了一些经验和成果。因此，本书针对智能船舶自主航行时航向保持、航迹保持和自动靠泊控制的一些关键性技术难题，采用“简捷”+“鲁棒”+“自适应”的技术路线，设计了一套船舶自主航行非线性鲁棒自适应控制策略。该策略能够在外界环境扰动和模型参数摄动下具有较强的鲁棒性，在扰动和模型参数不确定下具有较好的适应性。

本书由山东交通学院张强和西安交通工程学院张美娟合著，共6章，第1章为绪论；第2章为船舶运动数学模型；第3章为船舶简捷鲁棒自适应航向保持控制；第4章为欠驱动船舶有限时间轨迹跟踪控制；第5章为船舶简捷非线性神经网络自动靠泊控制；第6章为船舶运动控制物理测试平台。

感谢武汉理工大学马勇教授和浙江海洋大学祝贵兵副教授在百忙之中审阅了本书，并提出了宝贵的修改意见。研究生谭文轶、朱雅萍、王琪文、李昊洋、张思航、杨涛对本书的部分资料收集、改进及校对做出了贡献。

本书获得国家自然科学基金（51911540478）、山东省自然科学基金（ZR2022ME087）、山东省研究生教育教学改革研究项目（SDYJG19217）的资助。

由于作者时间和精力有限，书中不妥之处在所难免，欢迎读者批评指正。

编 者

2023年2月

第1章 绪论 1
1.1 智能船舶自主航行概述 1
1.2 船舶航向保持控制 2
1.3 船舶航迹保持控制 4
1.4 船舶自动靠泊控制 10
参考文献 13
第2章 船舶运动数学模型 23
2.1 欠驱动水面船舶运动数学模型 23
2.1.1 船舶运动坐标系的建立 23
2.1.2 船舶运动特性 25
2.1.3 三自由度欠驱动水面船舶运动数学模型 29
2.2 MMG船舶港内操纵运动数学模型 32
2.2.1 MMG分离型船舶运动数学模型 33
2.2.2 船舶港内操纵数学模型修正 39
2.2.3 仿真验证 43
2.3 本章小结 47
参考文献 48
第3章 船舶简捷鲁棒自适应航向保持控制 50
3.1 基于简捷非线性技术的航向保持控制 50
3.1.1 非线性反馈backstepping控制器设计 50
3.1.2 非线性修饰backstepping线性弱化控制器设计 53
3.1.3 仿真分析 56
3.2 基于非线性控制技术的港内操纵船舶航向保持控制 65
3.2.1 问题的描述 65
3.2.2 控制器设计 65
3.2.3 仿真分析 69
3.3 自适应自调节PID跟踪控制 76
3.3.1 数学模型 76
3.3.2 控制器设计 77
3.3.3 仿真分析 80
3.4 自适应径向基函数神经网络控制 85
3.4.1 问题描述 85
3.4.2 控制器设计 86
3.4.3 仿真分析 91
3.5 本章小结 95
参考文献 95
第4章 欠驱动船舶有限时间轨迹跟踪控制 98
4.1 欠驱动船舶自适应有限时间轨迹跟踪控制 98
4.1.1 船舶运动数学模型 98
4.1.2 控制器设计 100
4.1.3 稳定性分析 103
4.1.4 仿真分析 106
4.2 欠驱动船舶鲁棒自适应有限时间轨迹跟踪控制 111
4.2.1 船舶运动数学模型 111
4.2.2 控制器设计 112
4.2.3 稳定性分析 115
4.2.4 仿真分析 118
4.3 欠驱动船舶自适应在线逼近器的有限时间控制 124
4.3.1 船舶运动数学模型 124
4.3.2 控制器设计 125
4.3.3 稳定性分析 127
4.3.4 仿真分析 131
4.4 基于最小学习参数的欠驱动船舶神经网络有限时间控制 140
4.4.1 船舶运动数学模型 140
4.4.2 控制器设计 142
4.4.3 稳定性分析 144
4.4.4 仿真分析 147
4.5 考虑未知时变扰动事件触发欠驱动船舶自适应有限时间轨迹跟踪控制 157
4.5.1 船舶数学模型 157
4.5.2 控制器设计 159
4.5.3 稳定性分析 159
4.5.4 仿真分析 163
4.6 本章小结 176
参考文献 176
第5章 船舶简捷非线性神经网络自动靠泊控制 178
5.1 船舶自动靠泊简捷非线性神经网络控制 178
5.1.1 问题描述 179
5.1.2 控制器设计 180
5.1.3 仿真分析 182
5.2 基于简捷反步法的欠驱动船舶自动靠泊控制 190
5.2.1 问题描述 190
5.2.2 控制器设计 194
5.2.3 仿真分析 196
5.3 基于自适应神经网络的欠驱动船舶自动靠泊控制 201
5.3.1 问题描述 201
5.3.2 控制器设计 204
5.3.3 仿真分析 210
5.4 欠驱动船舶自适应神经网络自动靠泊控制 216
5.4.1 问题描述 216
5.4.2 控制器设计 221
5.4.3 仿真分析 226
5.5 考虑转艏角速度约束的欠驱动船舶自动靠泊控制 233
5.5.1 问题描述 235
5.5.2 控制器设计 237
5.5.3 仿真分析 244
5.6 本章小结 249
参考文献 250
第6章 船舶运动控制物理测试平台 253
6.1 自航船模系统设计 253
6.1.1 船型选择 253
6.1.2 硬件设计 257
6.1.3 远程控制平台 259
6.2 旋回性能测试 260
6.2.1 IMO旋回性能的标准及船舶GM的要求 260
6.2.2 船舶旋回试验性能分析 263
6.3 运动控制试验 270
6.3.1 船舶航向保持简捷非线性鲁棒控制 270
6.3.2 船舶自动靠泊非线性模糊控制 274
6.3.3 基于简捷非线性反馈的航迹保持控制 276
6.4 本章小结 280
参考文献 281

1. 控制器件（第三版） [主编　鲁兴举]
2. 人工智能与信息素养 [主编 吴华光 房宜汕]
3. 智能多媒体技术 [主编 陈萍 刘灵傲]
4. 云南异龙湖无机碳埋藏的近现代模式研究 [李平 著]
5. 基于多模态的人脸图像生成算法与关键技术 [罗晓东 著]
6. 应用型地方本科高校教师专业发展研究 [吴丽 著]
7. 高维数据特征筛选策略与算法 [陈念 著]
8. 外贸英语从入门到实战：53种实战场景秒变谈判高手 [张乐 廖熠 编著]
9. Linux系统管理（openEuler版） [主编 许兴鹍 黄君羡]
10. Python程序设计项目化教程（基于AI） [主编 禹晨 赵金考 王宏斌]
11. 可编程控制器应用项目化教程（三菱FX系列） [主编 姜文雍 李东方]
12. 全球英文电影精选：看电影学英文 [张颖　编译]
13. Python程序设计与网络爬虫 [黄海辉 彭新东]
14. 实体店创业分析实务 [燕艳 陈文冬 编著]
15. 中国对欧盟OFDI效率与风险的多维度实证评估—基于KK-SFA模型与PCF-聚类分析方法 [黄健钧 著]
16. 生成式人工智能素养 [邱有春　罗明全]
17. 系统分析师考试32小时通关（适配第2版考纲） [薛大龙　邹月平]
18. Ansys DesignModeler参数化特征建模与仿真指南 [蔡宜时 编著]
19. 浙江省山区县共富工坊建设的现状与对策 [徐骏骅 著]
20. 计算机网络技术及应用（第3版） [主编 刘永华 陈瑶]
21. 北京冬奥精神传承和发展研究 [顾春雨 邹新娴 等 著]
22. 汽车营销理论与实务（第三版） [主编 赵培全]
23. 人工智能基础与实践 [禹晨 赵金考 王宏斌 李璐]
24. 系统分析师5天修炼（适配第2版考纲） [施游 邹汉斌 黄少年 主编]
25. 线性代数（第二版） [惠小健 贺艳琴 夏斌湖]
26. 微控制器系统设计（STM32版） [主编 杨凌]
27. 机械原理与机械设计作业集（第二版） [主编 田亚平 李爱姣]
28. 高剑父的现代国画研究 [陈水兴　著]
29. 用英语介绍中国江河湖海 [庞彦杰　李静　赵娟　刘桂杰　编]
30. 大学生创新创业基础（第2版） [主编 姜国权 方邡]