船舶智能航行控制方法與應(yīng)用

目錄
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 智能船舶概念與發(fā)展 3
1.3 船舶智能航行控制發(fā)展 5
1.3.1 感知子系統(tǒng) 7
1.3.2 認(rèn)知子系統(tǒng) 7
1.3.3 決策子系統(tǒng) 7
1.3.4 控制子系統(tǒng) 8
參考文獻(xiàn) 8
第2章 船舶智能航行近距離目標(biāo)感知 10
2.1 船舶智能航行近距離目標(biāo)感知系統(tǒng) 10
2.2 基于毫米波雷達(dá)的船舶近距離障礙物識(shí)別方法 12
2.2.1 毫米波雷達(dá)簡(jiǎn)介 12
2.2.2 基于毫米波雷達(dá)的船舶感知方法 13
2.3 基于激光雷達(dá)的船舶目標(biāo)感知方法 15
2.3.1 基于先驗(yàn)知識(shí)的三維點(diǎn)云目標(biāo)識(shí)別方法 17
2.3.2 基于學(xué)習(xí)機(jī)制的三維點(diǎn)云目標(biāo)識(shí)別方法 18
2.3.3 基于三維激光點(diǎn)云的目標(biāo)識(shí)別方法 20
2.4 船載三維激光雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別軟件 24
2.4.1 軟件簡(jiǎn)介 24
2.4.2 軟件功能 24
參考文獻(xiàn) 26
第3章 船舶智能航行避碰路徑規(guī)劃 30
3.1 船舶避碰路徑規(guī)劃主要算法 30
3.2 基于A*算法的船舶全局路徑規(guī)劃方法 32
3.3 面向無人航道測(cè)量的船舶A*算法路徑規(guī)劃方法 33
3.3.1 無人航道測(cè)量船路徑規(guī)劃算法的提出 34
3.3.2 仿真對(duì)比 36
3.3.3 仿真結(jié)果分析 39
3.4 考慮多因素的船舶改進(jìn)A*算法路徑規(guī)劃方法 41
3.4.1 風(fēng)險(xiǎn)建模 41
3.4.2 A*算法改進(jìn) 45
3.4.3 仿真實(shí)例 52
參考文獻(xiàn) 57
第4章 船舶智能航行運(yùn)動(dòng)控制模型 60
4.1 船舶運(yùn)動(dòng)控制概述 60
4.2 船舶路徑跟蹤控制 61
4.2.1 控制 61
4.2.2 變結(jié)構(gòu)（滑模）控制 62
4.2.3 反饋線性化 62
4.2.4 智能控制 63
4.2.5 Backstepping算法 64
4.2.6 模型預(yù)測(cè)控制 64
4.2.7 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析 65
4.3 船舶路徑跟蹤自適應(yīng)控制 66
4.3.1 系統(tǒng)辨識(shí)方法 67
4.3.2 視距導(dǎo)航算法 69
4.3.3 船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)觀測(cè)器 69
4.4 船舶運(yùn)動(dòng)建模 71
4.4.1 船舶運(yùn)動(dòng)模型 71
4.4.2 環(huán)境干擾 78
4.4.3 模型不確定性 80
參考文獻(xiàn) 82
第5章 船舶智能航行軌跡跟蹤控制 90
5.1 船舶軌跡跟蹤控制原理 90
5.1.1 MPC基本原理 90
5.1.2 基于MPC的船舶軌跡跟蹤基本原理 91
5.2 基于線性MPC的船舶軌跡跟蹤控制 91
5.2.1 非線性狀態(tài)空間模型建立 91
5.2.2 模型線性化和離散化 92
5.2.3 約束條件設(shè)置 93
5.2.4 化問題 95
5.2.5 仿真實(shí)驗(yàn) 96
5.3 基于非線性MPC的船舶軌跡跟蹤控制 104
5.3.1 模型離散化 104
5.3.2 約束條件設(shè)置 105
5.3.3 化問題 106
5.3.4 仿真實(shí)驗(yàn) 106
5.4 基于MPC與基于滑?？刂频拇败壽E跟蹤對(duì)比 108
5.4.1 基于滑模控制的軌跡跟蹤控制方法 108
5.4.2 仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比 109
參考文獻(xiàn) 110
第6章 船舶智能航行路徑跟隨控制 111
6.1 船舶路徑跟隨控制原理 111
6.2 船舶自適應(yīng)LOS導(dǎo)航 112
6.2.1 LOS基本原理 112
6.2.2 自適應(yīng)LOS導(dǎo)航算法 115
6.3 船舶路徑跟隨控制 116
6.3.1 響應(yīng)型模型 116
6.3.2 船舶路徑跟隨控制模型 117
6.4 基于自適應(yīng)LOS和MPC的船舶路徑跟隨控制 117
6.5 基于自適應(yīng)LOS的船舶路徑跟隨仿真實(shí)驗(yàn) 119
6.5.1 仿真參數(shù)設(shè)計(jì) 119
6.5.2 自適應(yīng)LOS參數(shù)整定 120
6.5.3 自適應(yīng)LOS與傳統(tǒng)LOS的路徑跟隨效果對(duì)比 121
6.5.4 無干擾情況下基于自適應(yīng)LOS和MPC的路徑跟隨控制 122
6.5.5 基于MPC與基于Backstepping的路徑跟隨對(duì)比 123
6.5.6 干擾情況下基于自適應(yīng)LOS和MPC的路徑跟隨控制 126
參考文獻(xiàn) 130
第7章 考慮不確定性的船舶智能航行路徑跟隨控制 131
7.1 基于傳統(tǒng)LS-SVM的運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)辨識(shí)方法 131
7.1.1 基于傳統(tǒng)LS-SVM的函數(shù)估計(jì)方法 132
7.1.2 基于傳統(tǒng)LS-SVM的船舶路徑跟隨參數(shù)辨識(shí)方法 134
7.2 基于λ-LS-SVM的船舶運(yùn)動(dòng)模型在線參數(shù)辨識(shí)方法 136
7.2.1 基于滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗口的在線辨識(shí)方法 136
7.2.2 模型變化指數(shù)設(shè)計(jì) 137
7.2.3 輸入持續(xù)激勵(lì)方法 138
7.2.4 基于λ-LS-SVM的船舶運(yùn)動(dòng)模型在線辨識(shí)算法 138
7.3 基于λ-LS-SVM和MPC的船舶自適應(yīng)路徑跟隨控制 139
7.4 仿真實(shí)驗(yàn) 141
7.4.1 場(chǎng)景1：機(jī)構(gòu)老化引起的參數(shù)改變 141
7.4.2 場(chǎng)景2：水流等引起的參數(shù)改變 142
7.4.3 場(chǎng)景3：船舶操縱性的改變 144
7.4.4 仿真結(jié)果及分析 146
參考文獻(xiàn) 147
第8章 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的船舶智能航行路徑跟隨控制 148
8.1 通用ESO 148
8.1.1 ESO的提出 148
8.1.2 通用ESO觀測(cè)器的提出 150
8.2 補(bǔ)償ESO 152
8.2.1 連續(xù)補(bǔ)償擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 152
8.2.2 離散補(bǔ)償擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 154
8.3 基于離散補(bǔ)償ESO的MPC控制方法 155
8.3.1 方法的提出 155
8.3.2 穩(wěn)定性分析 156
8.3.3 實(shí)例驗(yàn)證 158
8.4 基于LEM控制方法的船舶路徑跟隨控制 165
8.4.1 基本原理 165
8.4.2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 166
參考文獻(xiàn) 169
第9章 船舶編隊(duì)航行協(xié)同控制 170
9.1 船舶編隊(duì)航行控制研究進(jìn)展 170
9.1.1 船舶編隊(duì)控制結(jié)構(gòu) 170
9.1.2 船舶編隊(duì)運(yùn)動(dòng)模型 176
9.1.3 船舶編隊(duì)控制器 178
9.1.4 研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵問題 180
9.2 船舶縱向航速協(xié)同控制方法 181
9.2.1 船舶的縱向動(dòng)力模型 183
9.2.2 船舶航速跟馳建模 185
9.2.3 模型預(yù)測(cè)控制 187
9.2.4 仿真驗(yàn)證 190
9.3 船舶編隊(duì)過閘控制方法 197
9.3.1 船舶編隊(duì)過閘控制研究背景 197
9.3.2 過閘船舶編隊(duì)控制結(jié)構(gòu) 199
9.3.3 過閘船舶編隊(duì)控制方法 200
9.4 船舶編隊(duì)控制研究展望 204
參考文獻(xiàn) 205
第10章 船舶智能航行控制應(yīng)用 212
10.1 感知-決策-控制一體化無人艇平臺(tái) 212
10.1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì) 212
10.1.2 算法與軟件實(shí)現(xiàn) 214
10.1.3 點(diǎn)云目標(biāo)識(shí)別實(shí)驗(yàn) 215
10.1.4 路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn) 217
10.2 船舶運(yùn)動(dòng)控制模型船平臺(tái) 218
10.2.1 模型船運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 219
10.2.2 平臺(tái)算法實(shí)現(xiàn) 226
10.2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 230
10.3 船閘水域船舶編隊(duì)航行平臺(tái) 242
10.3.1 概述 242
10.3.2 多船編隊(duì)過閘控制系統(tǒng) 242
參考文獻(xiàn) 253
編后記 254