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船舶智能航行制導與控制 版權信息
- ISBN：9787030723093
- 條形碼：9787030723093 ; 978-7-03-072309-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
船舶智能航行制導與控制 本書特色
本書突出船舶控制工程技術特點，結合筆者多年來夯實的前期研究工作積累，系統地總結了船舶智能航行制導與控制的基本理論和方法。
船舶智能航行制導與控制 內容簡介
本書突出船舶控制工程技術特點，既力求掌握控制理論的相關理論知識，又立足于實踐與應用。結合筆者多年來夯實的前期研究工作積累，系統地總結了船舶智能航行制導與控制的基本理論和方法。本書共8章，主要內容為：緒論、基本概念與基礎理論、*小參數化條件下的船舶智能制導與魯棒控制、考慮執行器配置約束的船舶智能制導與魯棒控制、海洋工程環境下動力定位船舶優化制導與魯棒控制、具有碰撞風險預測機制的船舶智能制導與魯棒控制、多靜止目標環境下船舶智能制導與魯棒控制、混合障礙目標環境下船舶智能制導與魯棒控制。本書內容融入了筆者對船舶運動控制科學的一系列思考所得和研究設計范例，力求使本書內容在全面性和實用性方面具有較高的參考價值。 本書內容精煉，系統性和實用性強，可供航海科學與技術、交通運輸工程、交通信息工程及控制、控制理論與控制工程等專業高年級本科生和研究生參考使用，也可供船舶控制工程及相關領域的廣大工程技術人員和科研工作者自學和參考。
船舶智能航行制導與控制 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 船舶運動控制發展概述 2
1.2 船舶智能航行制導與控制 5
1.2.1 船舶動力定位控制 5
1.2.2 船舶路徑跟蹤控制 6
1.3 船舶智能航行關鍵問題分析 9
1.4 全書結構內容安排 10
第2章 基本概念與基礎理論 12
2.1 Lyapunov穩定性理論 12
2.1.1 穩定的概念 12
2.1.2 Lyapunov穩定性定理 13
2.1.3 自適應Backstepping控制 15
2.2 非線性船舶運動數學模型 21
2.2.1 船舶平面運動的運動學關系 22
2.2.2 船舶動力學模型 23
2.2.3 執行伺服系統模型 24
2.3 海洋環境干擾模型 29
2.3.1 風干擾模型 29
2.3.2 海浪干擾模型 32
2.3.3 海流干擾模型 35
2.4海 洋環境干擾下的船舶運動數學模型 35
2.5 本章小結 36
第3章 *小參數化條件下的船舶智能制導與魯棒控制 38
3.1 問題描述 38
3.2 虛擬小船邏輯制導算法 40
3.3 *小參數化條件下的簡捷魯棒自適應控制 41
3.3.1 控制器設計 41
3.3.2 穩定性分析 44
3.4 仿真研究 47
3.4.1 對比實驗 48
3.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 51
3.5 本章小結 53
第4章 考慮執行器配置約束的船舶智能制導與魯棒控制 54
4.1 問題描述 55
4.2 DVS制導算法 56
4.3 考慮低頻增益學習的魯棒神經網絡控制 59
4.3.1 控制器設計 59
4.3.2 穩定性分析 62
4.4 仿真研究 65
4.5 本章小結 70
第5章 海洋工程環境下動力定位船舶優化制導與魯棒控制 71
5.1 問題描述 71
5.2 面向動力定位任務的DVS優化制導 73
5.3 考慮執行器增益不確定的動力定位魯棒自適應控制 74
5.3.1 控制器設計 75
5.3.2 穩定性分析 77
5.4 仿真研究 79
5.4.1 對比實驗 79
5.4.2 具有能量優化機制的實驗結果 82
5.5 本章小結 85
第6章 具有碰撞風險預測機制的船舶智能制導與魯棒控制 86
6.1 問題描述 86
6.1.1 設計模型 86
6.1.2 擴展狀態觀測器 88
6.2 具有碰撞風險預測機制的DVS避障制導 89
6.3 基于擴展狀態觀測器的魯棒自適應控制 94
6.3.1 觀測器與控制器設計 94
6.3.2 穩定性分析 97
6.4 仿真研究 99
6.4.1 對比實驗 99
6.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 100
6.5 本章小結 104
第7章 多靜止目標環境下船舶智能制導與魯棒控制 105
7.1 問題描述 105
7.2 多靜止目標環境下的DVS避障制導 107
7.3 考慮計算負載需求的魯棒有限時間控制 110
7.3.1 控制器設計 110
7.3.2 穩定性分析 112
7.4 仿真研究 114
7.4.1 對比試驗 114
7.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 118
7.5 本章小結 119
第8章 混合障礙目標環境下船舶智能制導與魯棒控制 120
8.1 問題描述 120
8.2 混合障礙目標環境下的DVS避障制導 122
8.3 考慮執行器增益不確定的路徑跟蹤魯棒有限時間控制 126
8.3.1 控制器設計 126
8.3.2 穩定性分析 128
8.4 仿真研究 130
8.4.1 對比試驗 130
8.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 132
8.5 本章小結 135
附錄：主要符號、縮寫說明 136
參考文獻 138
前言
第1章 緒論 1
1.1 船舶運動控制發展概述 2
1.2 船舶智能航行制導與控制 5
1.2.1 船舶動力定位控制 5
1.2.2 船舶路徑跟蹤控制 6
1.3 船舶智能航行關鍵問題分析 9
1.4 全書結構內容安排 10
第2章 基本概念與基礎理論 12
2.1 Lyapunov穩定性理論 12
2.1.1 穩定的概念 12
2.1.2 Lyapunov穩定性定理 13
2.1.3 自適應Backstepping控制 15
2.2 非線性船舶運動數學模型 21
2.2.1 船舶平面運動的運動學關系 22
2.2.2 船舶動力學模型 23
2.2.3 執行伺服系統模型 24
2.3 海洋環境干擾模型 29
2.3.1 風干擾模型 29
2.3.2 海浪干擾模型 32
2.3.3 海流干擾模型 35
2.4海 洋環境干擾下的船舶運動數學模型 35
2.5 本章小結 36
第3章 *小參數化條件下的船舶智能制導與魯棒控制 38
3.1 問題描述 38
3.2 虛擬小船邏輯制導算法 40
3.3 *小參數化條件下的簡捷魯棒自適應控制 41
3.3.1 控制器設計 41
3.3.2 穩定性分析 44
3.4 仿真研究 47
3.4.1 對比實驗 48
3.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 51
3.5 本章小結 53
第4章 考慮執行器配置約束的船舶智能制導與魯棒控制 54
4.1 問題描述 55
4.2 DVS制導算法 56
4.3 考慮低頻增益學習的魯棒神經網絡控制 59
4.3.1 控制器設計 59
4.3.2 穩定性分析 62
4.4 仿真研究 65
4.5 本章小結 70
第5章 海洋工程環境下動力定位船舶優化制導與魯棒控制 71
5.1 問題描述 71
5.2 面向動力定位任務的DVS優化制導 73
5.3 考慮執行器增益不確定的動力定位魯棒自適應控制 74
5.3.1 控制器設計 75
5.3.2 穩定性分析 77
5.4 仿真研究 79
5.4.1 對比實驗 79
5.4.2 具有能量優化機制的實驗結果 82
5.5 本章小結 85
第6章 具有碰撞風險預測機制的船舶智能制導與魯棒控制 86
6.1 問題描述 86
6.1.1 設計模型 86
6.1.2 擴展狀態觀測器 88
6.2 具有碰撞風險預測機制的DVS避障制導 89
6.3 基于擴展狀態觀測器的魯棒自適應控制 94
6.3.1 觀測器與控制器設計 94
6.3.2 穩定性分析 97
6.4 仿真研究 99
6.4.1 對比實驗 99
6.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 100
6.5 本章小結 104
第7章 多靜止目標環境下船舶智能制導與魯棒控制 105
7.1 問題描述 105
7.2 多靜止目標環境下的DVS避障制導 107
7.3 考慮計算負載需求的魯棒有限時間控制 110
7.3.1 控制器設計 110
7.3.2 穩定性分析 112
7.4 仿真研究 114
7.4.1 對比試驗 114
7.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 118
7.5 本章小結 119
第8章 混合障礙目標環境下船舶智能制導與魯棒控制 120
8.1 問題描述 120
8.2 混合障礙目標環境下的DVS避障制導 122
8.3 考慮執行器增益不確定的路徑跟蹤魯棒有限時間控制 126
8.3.1 控制器設計 126
8.3.2 穩定性分析 128
8.4 仿真研究 130
8.4.1 對比試驗 130
8.4.2 海洋環境干擾下的實驗結果 132
8.5 本章小結 135
附錄：主要符號、縮寫說明 136
參考文獻 138
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船舶智能航行制導與控制 節選
第1章 緒論 當前，藍色正逐漸滲入中國經濟的底色，我國經濟形態和開放格局呈現出前所未有的“依海”特征，大力發展海洋經濟、加快建設海洋強國成為我國現代化經濟體系建設中的一項重要任務。據統計，2020年全國港口貨物吞吐量完成145.5億噸，港口集裝箱吞吐量完成2.6億標箱，港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量均位居世界**位；全國內河貨運量完成38.15億噸，全國內河航道通航里程超過12萬公里，居世界**。隨著海洋區域經濟的快速發展，提升船舶智能航行技術裝備水平已成為世界各國和地區的重要發展戰略。為此，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》提出，要大力發展船舶領域信息化和智能化技術，解決我國高技術船載裝備配套能力弱的問題。黨的十八大報告提出要建設海洋強國，將“提高海洋資源開發能力，發展海洋經濟，保護海洋生態環境，堅決維護國家海洋權益”納入我國建設海洋強國的戰略目標中，進一步強調了加強海上交通運輸裝備技術水平在國家戰略中的重要地位。 伴隨著人工智能和自動駕駛技術的迅猛發展，2016年初，羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce，RR）公司在芬蘭所建立的合作項目“高級無人駕駛船舶應用開發計劃（advanced autonomous waterborne applications，AAWA）”引起航運界乃至全球的關注。2017年1月，挪威海事局和挪威海岸管理局將特隆赫姆海峽作為世界上**片允許進行無人船相關測試的海域。芬蘭國家海洋產業局、交通通信局等機構也與勞斯萊斯進行了智能船舶項目合作談判，探索如何在波羅的海部署無人駕駛船舶。2017年6月，中國船級社聯合美國船級社、中國艦船研究設計院、滬東造船廠、中國船舶及海洋工程設計院、海航科技集團等成立了我國首*無人貨船開發聯盟。以上事實表明，智能船舶作為海上交通運輸的重要載體，其相關研究已在全球范圍內開展。 船舶運動控制是當前智能船舶研究領域的一個重要研究課題，其*終目的是提高船舶自動化、智能化水平，保證船舶海上航行的安全性、經濟性、舒適性，開展對其的研究也顯得尤為重要。在船舶實際航行作業中，基本的運動控制任務可概括為5類問題:①大洋航行自動導航問題，包括航向保持、轉向控制、航跡保持、航速控制（到港時間控制）、動力定位控制等；②港區航行及自動靠離泊問題，涉及船舶在淺水中的低速運動，風、浪、流干擾相對增大，系統信息量增多，操縱和控制更趨困難；③擁擠水道航行或大洋航行的自動避碰問題，主要涉及多船會遇、碰撞危險度評估、多目標決策、碰撞*佳時機及*佳轉向幅度預報等；④船舶減搖控制，主要包括鰭減搖控制、舵減搖控制和舵鰭聯合減搖控制等；⑤無人航海載運工具的控制，主要包括無人水下機器人（unmanned underwater vehicle，UUV）的控制、遙控機器人（remotely operated vehicle，ROV）的控制、自主水下機器人（autonomousunderwatervehicle，AUV）的控制、無人水面船舶（unmanned surface vehicle，USV）的控制、無人半潛船舶（unmanned semi-submersible carrier，USSC）的控制等。圍繞以上5類問題，以智能航行制導與控制相結合為切入點開展船舶自動化系統設計是實現高技術海洋資源開發平臺建設或復雜智能航行任務的關鍵。 事實上，海上大型船舶通常只裝備主推進螺旋槳（固定螺距螺旋槳或可調螺距螺旋槳）和舵設備分別驅動船舶前進和艏搖運動（沒有專門用于鎮定橫漂運動的驅動設備）。盡管部分船舶裝有艏側推設備用于橫漂運動的鎮定控制，但這類設備常因船舶縱向高速水動力影響而不能有效控制船舶運動。因此，大型船舶通常是一類典型的欠驅動機械系統，具有二階不可積分非完整約束且不能有效轉換為無漂鏈式系統。這對開展大型船舶智能航行制導和控制研究工作提出了新的挑戰。根據大型船舶運動控制系統組成邏輯功能，動態避障/路徑跟蹤任務可分為以下3類子系統設計實現，即制導、控制、導航，如圖1.1所示。制導系統主要根據操控人員設定的航路點信息、航行水域障礙物分布情況實時規劃出光滑的參考路徑，為船舶控制策略提供參考姿態（位置）、速度、加速度信號，引導船舶實現自主航行；控制系統能夠根據船舶運動姿態、速度變量以及制導系統給出的參考變量確定執行航行任務所需的控制命令；導航系統用于測量船舶運動姿態，主要由船載導航儀器完成，部分情況下需要設計觀測器實現對速度變量的估計。 1.1船舶運動控制發展概述 數學是一切科學的基礎，控制是解決許多科學問題的核心任務。自動化和信息產品對海上交通運輸，乃至整個海洋經濟發展帶來了巨大變革。控制理論與信息技術對交通運輸工程系統的發展起到了重要推動作用。 船舶運動控制歷史淵源悠久，近30年來吸引了不少國內外學者從事這方面研究工作并取得了不少開創性成果。早在1908年，Anschutz首次發明具有尋北功能的磁羅盤，3年后Elmer Sperry獲得發明專利“阻尼陀螺羅經”。羅經測量方位的功能為構建船舶閉環控制系統提供反饋信息，這使得將控制理論應用于船舶自動操縱成為可能。20世紀70年代前后，美國**代衛星全球定位系統（global positioning system，GPS）的出現進一步為船舶運動控制研究帶來了巨大變化，相關研究學者從解決航向保持控制、減搖控制任務逐漸開始嘗試解決動力定位、航路點/航跡控制任務，取得較為典型的研究成果的學者有Fossen，Pettersen，賈欣樂和張顯庫。 21世紀以來，隨著非完整系統理論的逐步完善，欠驅動船舶的控制在船舶運動控制領域掀起又一股新的研究熱潮。欠驅動機械系統是指系統控制輸入向量張成空間的維數小于系統位形空間維數的機械系統，其典型特點是由較少的控制輸入維數控制較大位形空間的運動，控制難度較大，受到國內外研究人員的廣泛關注。普通商用海船主要具有主機推進器和舵裝置兩大操縱設備，分別控制船舶前進/后退運動和轉首運動，橫漂運動沒有專門的驅動裝置，是一種典型的欠驅動機械系統。即使部分船舶為了改善低速情況下操縱性能而裝備了首/尾側推裝置，但在海上正常營運航速下不能有效提供驅動作用，仍然為欠驅動機械系統。欠驅動船舶的控制問題具有挑戰性主要在于其不滿足Brockett定理必要條件，即不存在連續時不變反饋控制律能夠有效地鎮定/控制上述欠驅動系統；另外，存在加速度不可積分的二階非完整約束，且系統不能轉化為標準的無漂非完整系統，導致多數針對非完整系統的控制策略設計不能直接應用于欠驅動船舶運動控制任務。當前欠驅動船舶運動控制研究工作主要解決以下3類基本任務:點到點運動控制（point-to-point motion），即姿態鎮定控制，包括動力定位和自動靠離泊控制；路徑跟蹤控制（path-following control）；軌跡追蹤控制（trajectory-tracking control）。2009年，西澳大利亞大學學者Do系統地總結了其10余年來在欠驅動船舶運動控制方面的理論研究成果，并形成著作，對相關理論研究者具有重要參考價值。 如果說Do的著作對近10年來欠驅動船舶（包括水下機器人）運動控制研究成果的系統總結是船舶運動控制學科發展的一項重要階段性成果；那么文獻則在總結現有研究的基礎上為欠驅動船舶運動控制研究工作進一步發展指明了方向，并提出了一些開放問題（open problems）供廣大科研人員共同鉆研，對欠驅動船舶運動控制的發展具有重要意義。當前欠驅動船舶運動控制研究主要存在以下2點問題：①欠驅動船舶運動控制研究課題始于“利用非完整系統理論分析船舶運動特性”，導致目前部分已有研究成果局限于理論分析，重心關注在求解數學問題上，而忽略了理論研究的*終目的是解決海洋工程環境下的船舶運動實際問題，如忽略了船舶模型中過多非線性項、未考慮船舶運動系統中執行器和運動狀態不可測量等問題；②對于一般非線性系統而言，鎮定控制是跟蹤控制的一種特殊情況（即參考信號為零），不需要單獨考慮進行控制器設計。而上述觀點不適合欠驅動船舶，鎮定控制和跟蹤控制任務需要分別進行控制器設計以滿足持續激勵條件。基于上述問題的考慮，文獻指出欠驅動船舶運動控制進一步研究工作的重點在于解決：同時鎮定/跟蹤控制策略研究、考慮執行裝置約束條件的控制器設計和自適應輸出反饋控制研究。 上述關于船舶的控制發展概述，其依據主要為筆者個人進行文獻研讀、理解以及對船舶運動控制發展歷史的認識。圖1.2根據上述分析給出了船舶運動控制發展概覽圖，包括了不同發展階段各種控制算法的使用情況。 1.2船舶智能航行制導與控制 本書選題正是在以上綜述的基礎上確定為“船舶智能航行制導與控制”，其控制任務主要選取動力定位和路徑跟蹤任務，所考慮的海洋工程環境主要包括執行伺服系統約束、現實海洋環境干擾與船舶運動相互作用機理、現實航行水域環境特征等，研究內容屬于文獻中開放問題“考慮執行裝置約束條件的控制器設計”的范疇。因此，在接下來的章節中，筆者將從船舶動力定位控制和船舶路徑跟蹤控制兩方面對當前文獻中制導與控制主流研究思想進行梳理、分析。 1.2.1船舶動力定位控制 根據國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）和世界主要船級社（英國勞氏船級社（Lloyd’sRegister，LR），美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS），挪威船級社（Det Norske Veritas，DNV））的定義，船舶動力定位是指船舶在不借助錨泊，利用其自身安裝的推進裝置抵御風、浪、流等外界干擾的影響，以一定姿態實現其在海面固定位置的保持以完成各種作業功能。動力定位船舶定位精度高，定位成本不會隨著水深的增加而增加，具有廣泛的工程應用背景，如應用于遠海油氣開發、近海工程供給、捕魚作業等。 船舶動力定位技術*初產生于20世紀60年代，**代動力定位技術是以經典的比例-積分-微分（proportional-integral-derivative，PID）控制為基礎，米用融合前饋技術和PID算法的控制系統同時對船舶的縱蕩、橫蕩和艏搖3個自由度進行控制。根據實際船舶的位置和期望值進行比較以計算推力的大小，通過確定的推力分配策略由各執行伺服系統產生推力，實現船舶動力定位。該方法雖然在早期的船舶動力定位作業中效果顯著，但卻不可避免地存在一些缺點：①控制策略不以模型為基礎，屬于事后控制，模型不確定和外界環境干擾對閉環系統精度和響應速度影響較大；②為了提高系統定位性能，若采用低通濾波器對船舶運動中的高頻分量進行濾波處理將不可避免地造成相位滯后，對控制器的相角裕量造成較大的限制；③當船舶閉環控制系統受到惡劣海洋環境干擾影響時，PID參數需要重新整定以提高系統魯棒性能。 隨著海洋工程作業任務實際需求的提升，近20年來，船舶動力定位控制吸引了不少國內外學者從事相關方面研究工作并取得了不少開創性成果。文獻[38]首次將基于狀態觀測器的反步遞推（Backstepping）方法應用于動力定位船舶，所設計的控制律在存在實際海洋環境干擾和模型不確定的前提下能夠保證整個閉環系統達到全局一致漸近穩定性能。為了進一步提高理論算法在船舶動力定位工程實際中的實用性，文獻通過引入矢量逆推的概念，在控制器設計過程中忽略了時變環境干擾的影響，提出了一種基于矢量簡化的船舶動力定位魯棒自適應控制算法。在進一步的研究工作中，文獻針對全驅動動力定位船舶，提出一種考慮漂移積分補償和伺服系統推力優化分配的非線性自適應控制算法，其中，推力分配方案設計中引入多變量故障診斷優化算法實現無約束實時分配優化，能夠在執行伺服系統故障情況下保證閉環控制系統整體控制性能。在輸出反饋方面，Do利用Lyapunov直接法提出了一種構造性魯棒自適應控制策略，并從理論和實驗示例驗證了研究結果的有效性。該算法中，非線性
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