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. 零基础玩转国产大模型DeepSeek [徐永冰 张帅 编著]
2. 网络工程师5天修炼（适配第6版考纲） [主编　朱小平 施游]
3. 信息系统项目管理师考试32小时通关（适用第4版考纲） [薛大龙]
4. 信息系统管理工程师考试32小时通关（适配第2版考纲） [薛大龙　刘伟]
5. 土木工程材料检测实训 [洪晓江 达则晓丽 钱波]
6. 科技信息检索与论文写作实用教程 [李振华]
7. 传统山水画论解读与实践 [陈钠 著]
8. Python数据库编程 [主编 殷树友 邢 翀]
9. 计算机基础实训指导 [主编 袁春萍 朱妮]
10. 嵌入式人工智能技术应用（数字教材） [主编 胡娜 杨国勇 晏廷荣]
11. Vienna整流器技术 [桂存兵 著]
12. 变频器与伺服应用 [陈刚 叶云飞]
13. 物联网工程设计与实践 [汤琳 李敏]
14. 炉边夜话——深入浅出话AI [汪建　著]
15. 电商运营与管理 [钟肖英 陈潇]
16. Java面向对象程序设计 [主编 姜春磊 陈虹洁]
17. 信息技术基础（Windows 10+WPS Office）（微课版） [主编　石利平　田辉平　谢盛嘉]
18. 人工智能应用 [主编　陈　萍　刘培培　陈孟军]
19. 大学生职业发展与就业指导 [主编　刘志坚]
20. 高级办公应用项目教程 [主编 屈晶 赵成丽]
21. 微信小程序开发项目实战（微课版） [主编 黄龙泉 郭峰 朱倩]
22. 企业档案工作实战宝典百问百答 [华俊 卢秀英 邵甜甜 著]
23. 计算机网络原理及应用 [主编 唐继勇 叶坤 孙梦娜]
24. 大学生创业基础 [主编 王丽莉 王 杨]
25. 船舶辅机 [主编 王连海 于洋 姜淑翠]
26. 大学生就业指导 [主编 王丽莉 董宴廷]
27. 系统架构设计师章节习题与考点特训 [主编 薛大龙 邹月平]
28. 高校学生工作探索与实践 [郭亮 著]
29. 大学生情商管理 [方雄 著]
30. 2023年长沙市会展业发展报告 [主编 周栋良]