智能船舶自主航行非线性鲁棒自适应控制

中国水利水电出版社

【作者】张强张美娟著

【I S B N 】978-7-5226-1670-4

【责任编辑】高辉

【适用读者群】本专通用

【出版时间】2023-09-21

【开本】16开

【装帧信息】平装（光膜）

【版次】第1版第1次印刷

【页数】288

【千字数】353

【印张】18

【定价】￥78

【丛书】教育科研新技术、新素养、新实践丛书

【备注信息】

图书详情

简介

本书特色

前言

章节列表

精彩阅读

下载资源

相关图书

本书系统深入地总结了智能船舶自主航行非线性控制理论及作者多年来在船舶运动控制等方面取得的主要研究成果，涵盖了船舶运动数学模型、船舶简捷鲁棒自适应航向保持控制、欠驱动船舶有限时间轨迹跟踪控制、船舶简捷非线性神经网络自动靠泊控制、船舶运动控制物理测试平台等方面的内容，结合非线性反馈、非线性修饰、自适应自调节PID、Lyapunov 稳定性理论、backstepping 控制理论、RBF神经网络逼近原理、有限时间自适应技术、最小参数学习法、动态面技术等先进理论和方法，设计智能船舶自主航行控制策略。

本书可作为交通运输工程、船舶与海洋工程、交通信息工程及控制等学科的研究生和航运科学与技术、自动化等相关专业的高年级本科生的教材或参考书，也可供相关领域的学者和工程技术人员参考。

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

关闭

打印