智能船舶自主航行非線性魯棒自適應(yīng)控制

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）、5G通信技術(shù)等高新技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，船舶正逐步引入智能航行要素，船舶自主航行技術(shù)應(yīng)運而生，實現(xiàn)完全自主安全航行成為船舶智能化發(fā)展的終極目標。根據(jù)國際海事組織等權(quán)威機構(gòu)對船舶智能航行的功能分級，智能航行最高級別為自主駕駛，即無人化系統(tǒng)自主駕駛。近年來，挪威、瑞典、芬蘭、荷蘭、美國、日本、韓國以及我國的科研人員都做了大量的相關(guān)研究，也實現(xiàn)了自主避碰、遠程遙控和部分自主航行，但在技術(shù)層面上，現(xiàn)今的船舶自主化水平不足以滿足理想狀態(tài)下的大規(guī)模完全自主商業(yè)化運營，因此需要在相關(guān)領(lǐng)域進行深入研究。

作者多年來在船舶自主航行控制領(lǐng)域從事科研工作，積累了一些經(jīng)驗和成果。因此，本書針對智能船舶自主航行時航向保持、航跡保持和自動靠泊控制的一些關(guān)鍵性技術(shù)難題，采用“簡捷”+“魯棒”+“自適應(yīng)”的技術(shù)路線，設(shè)計了一套船舶自主航行非線性魯棒自適應(yīng)控制策略。該策略能夠在外界環(huán)境擾動和模型參數(shù)攝動下具有較強的魯棒性，在擾動和模型參數(shù)不確定下具有較好的適應(yīng)性。

本書由山東交通學院張強和西安交通工程學院張美娟合著，共6章，第1章為緒論；第2章為船舶運動數(shù)學模型；第3章為船舶簡捷魯棒自適應(yīng)航向保持控制；第4章為欠驅(qū)動船舶有限時間軌跡跟蹤控制；第5章為船舶簡捷非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動靠泊控制；第6章為船舶運動控制物理測試平臺。

感謝武漢理工大學馬勇教授和浙江海洋大學祝貴兵副教授在百忙之中審閱了本書，并提出了寶貴的修改意見。研究生譚文軼、朱雅萍、王琪文、李昊洋、張思航、楊濤對本書的部分資料收集、改進及校對做出了貢獻。

本書獲得國家自然科學基金（51911540478）、山東省自然科學基金（ZR2022ME087）、山東省研究生教育教學改革研究項目（SDYJG19217）的資助。

由于作者時間和精力有限，書中不妥之處在所難免，歡迎讀者批評指正。

編 者

2023年2月

第1章 緒論 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 船舶航跡保持控制 4
1.4 船舶自動靠泊控制 10
參考文獻 13
第2章 船舶運動數(shù)學模型 23
2.1 欠驅(qū)動水面船舶運動數(shù)學模型 23
2.1.1 船舶運動坐標系的建立 23
2.1.2 船舶運動特性 25
2.1.3 三自由度欠驅(qū)動水面船舶運動數(shù)學模型 29
2.2 MMG船舶港內(nèi)操縱運動數(shù)學模型 32
2.2.1 MMG分離型船舶運動數(shù)學模型 33
2.2.2 船舶港內(nèi)操縱數(shù)學模型修正 39
2.2.3 仿真驗證 43
2.3 本章小結(jié) 47
參考文獻 48
第3章 船舶簡捷魯棒自適應(yīng)航向保持控制 50
3.1 基于簡捷非線性技術(shù)的航向保持控制 50
3.1.1 非線性反饋backstepping控制器設(shè)計 50
3.1.2 非線性修飾backstepping線性弱化控制器設(shè)計 53
3.1.3 仿真分析 56
3.2 基于非線性控制技術(shù)的港內(nèi)操縱船舶航向保持控制 65
3.2.1 問題的描述 65
3.2.2 控制器設(shè)計 65
3.2.3 仿真分析 69
3.3 自適應(yīng)自調(diào)節(jié)PID跟蹤控制 76
3.3.1 數(shù)學模型 76
3.3.2 控制器設(shè)計 77
3.3.3 仿真分析 80
3.4 自適應(yīng)徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 85
3.4.1 問題描述 85
3.4.2 控制器設(shè)計 86
3.4.3 仿真分析 91
3.5 本章小結(jié) 95
參考文獻 95
第4章 欠驅(qū)動船舶有限時間軌跡跟蹤控制 98
4.1 欠驅(qū)動船舶自適應(yīng)有限時間軌跡跟蹤控制 98
4.1.1 船舶運動數(shù)學模型 98
4.1.2 控制器設(shè)計 100
4.1.3 穩(wěn)定性分析 103
4.1.4 仿真分析 106
4.2 欠驅(qū)動船舶魯棒自適應(yīng)有限時間軌跡跟蹤控制 111
4.2.1 船舶運動數(shù)學模型 111
4.2.2 控制器設(shè)計 112
4.2.3 穩(wěn)定性分析 115
4.2.4 仿真分析 118
4.3 欠驅(qū)動船舶自適應(yīng)在線逼近器的有限時間控制 124
4.3.1 船舶運動數(shù)學模型 124
4.3.2 控制器設(shè)計 125
4.3.3 穩(wěn)定性分析 127
4.3.4 仿真分析 131
4.4 基于最小學習參數(shù)的欠驅(qū)動船舶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有限時間控制 140
4.4.1 船舶運動數(shù)學模型 140
4.4.2 控制器設(shè)計 142
4.4.3 穩(wěn)定性分析 144
4.4.4 仿真分析 147
4.5 考慮未知時變擾動事件觸發(fā)欠驅(qū)動船舶自適應(yīng)有限時間軌跡跟蹤控制 157
4.5.1 船舶數(shù)學模型 157
4.5.2 控制器設(shè)計 159
4.5.3 穩(wěn)定性分析 159
4.5.4 仿真分析 163
4.6 本章小結(jié) 176
參考文獻 176
第5章 船舶簡捷非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動靠泊控制 178
5.1 船舶自動靠泊簡捷非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 178
5.1.1 問題描述 179
5.1.2 控制器設(shè)計 180
5.1.3 仿真分析 182
5.2 基于簡捷反步法的欠驅(qū)動船舶自動靠泊控制 190
5.2.1 問題描述 190
5.2.2 控制器設(shè)計 194
5.2.3 仿真分析 196
5.3 基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的欠驅(qū)動船舶自動靠泊控制 201
5.3.1 問題描述 201
5.3.2 控制器設(shè)計 204
5.3.3 仿真分析 210
5.4 欠驅(qū)動船舶自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動靠泊控制 216
5.4.1 問題描述 216
5.4.2 控制器設(shè)計 221
5.4.3 仿真分析 226
5.5 考慮轉(zhuǎn)艏角速度約束的欠驅(qū)動船舶自動靠泊控制 233
5.5.1 問題描述 235
5.5.2 控制器設(shè)計 237
5.5.3 仿真分析 244
5.6 本章小結(jié) 249
參考文獻 250
第6章 船舶運動控制物理測試平臺 253
6.1 自航船模系統(tǒng)設(shè)計 253
6.1.1 船型選擇 253
6.1.2 硬件設(shè)計 257
6.1.3 遠程控制平臺 259
6.2 旋回性能測試 260
6.2.1 IMO旋回性能的標準及船舶GM的要求 260
6.2.2 船舶旋回試驗性能分析 263
6.3 運動控制試驗 270
6.3.1 船舶航向保持簡捷非線性魯棒控制 270
6.3.2 船舶自動靠泊非線性模糊控制 274
6.3.3 基于簡捷非線性反饋的航跡保持控制 276
6.4 本章小結(jié) 280
參考文獻 281

1. 零基礎(chǔ)玩轉(zhuǎn)國產(chǎn)大模型DeepSeek [徐永冰 張帥 編著]
2. 網(wǎng)絡(luò)工程師5天修煉（適配第6版考綱） [主編　朱小平 施游]
3. 信息系統(tǒng)項目管理師考試32小時通關(guān)（適用第4版考綱） [薛大龍]
4. 信息系統(tǒng)管理工程師考試32小時通關(guān)（適配第2版考綱） [薛大龍　劉偉]
5. 土木工程材料檢測實訓 [洪曉江 達則曉麗 錢波]
6. 科技信息檢索與論文寫作實用教程 [李振華]
7. 傳統(tǒng)山水畫論解讀與實踐 [陳鈉 著]
8. Python數(shù)據(jù)庫編程 [主編 殷樹友 邢 翀]
9. 計算機基礎(chǔ)實訓指導 [主編 袁春萍 朱妮]
10. 嵌入式人工智能技術(shù)應(yīng)用（數(shù)字教材） [主編 胡娜 楊國勇 晏廷榮]
11. Vienna整流器技術(shù) [桂存兵 著]
12. 變頻器與伺服應(yīng)用 [陳剛 葉云飛]
13. 物聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計與實踐 [湯琳 李敏]
14. 爐邊夜話——深入淺出話AI [汪建　著]
15. 電商運營與管理 [鐘肖英 陳瀟]
16. Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計 [主編 姜春磊 陳虹潔]
17. 信息技術(shù)基礎(chǔ)（Windows 10+WPS Office）（微課版） [主編　石利平　田輝平　謝盛嘉]
18. 人工智能應(yīng)用 [主編　陳　萍　劉培培　陳孟軍]
19. 大學生職業(yè)發(fā)展與就業(yè)指導 [主編　劉志堅]
20. 高級辦公應(yīng)用項目教程 [主編 屈晶 趙成麗]
21. 微信小程序開發(fā)項目實戰(zhàn)（微課版） [主編 黃龍泉 郭峰 朱倩]
22. 企業(yè)檔案工作實戰(zhàn)寶典百問百答 [華俊 盧秀英 邵甜甜 著]
23. 計算機網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用 [主編 唐繼勇 葉坤 孫夢娜]
24. 大學生創(chuàng)業(yè)基礎(chǔ) [主編 王麗莉 王 楊]
25. 船舶輔機 [主編 王連海 于洋 姜淑翠]
26. 大學生就業(yè)指導 [主編 王麗莉 董宴廷]
27. 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師章節(jié)習題與考點特訓 [主編 薛大龍 鄒月平]
28. 高校學生工作探索與實踐 [郭亮 著]
29. 大學生情商管理 [方雄 著]
30. 2023年長沙市會展業(yè)發(fā)展報告 [主編 周棟良]