海洋机器人运动控制技术

《海洋机器人运动控制技术》针对自主水下机器人系统运动的特点介绍PID控制法、状态反馈控制法、滑模控制法、多模型控制法等设计过程，并针对两种类型的UMV（AUV与USV）系统设计对应的控制策略，解决这两类系统在湖泊试验与海洋试验过程中出现的控制品质差、耦合项间相互干扰等问题。

丛书前言一
丛书前言二
前言
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.1.1 UMV运动模型的特点 4
1.1.2 UMV运动控制技术研究现状 5
1.2 多模型控制及其在UMV中的应用 7
1.3 本书内容安排 9
参考文献 10
2 UMV运动模型 15
2.1 UMV运动控制模型特点 15
2.2 UMV运动控制模型的设置 16
2.2.1 UMV运动学模型 16
2.2.2 UMV动力学模型 18
2.3 海洋机器人运动控制模型的简化 21
2.3.1 纵向速度运动模型 22
2.3.2 航向运动模型 22
2.3.3 深度控制模型 24
2.4 本章小结 27
参考文献 27
3 UMV基本运动控制策略简介 30
3.1 PID控制策略简介 30
3.1.1 PID控制器概述 30
3.1.2 PID控制器控制特点总结 34
3.1.3 系统控制品质与PID控制参数调整 35
3.1.4 自整定PID控制器概述 38
3.1.5 海洋机器人PID控制器设计 42
3.2 状态反馈控制策略简介 43
3.2.1 状态反馈基本概论 44
3.2.2 状态反馈控制的极点配置 50
3.2.3 状态反馈在海洋机器人中的应用 57
3.3 滑模控制策略简介 62
3.3.1 滑模控制设计 63
3.3.2 线性不确定系统滑模控制策略 69
3.3.3 非线性系统滑模控制策略 73
3.3.4 滑模面抖动问题研究 76
3.3.5 滑模控制策略在UMV系统运动中的应用 77
3.4 本章小结 80
参考文献 80
4 UMV多模型控制技术及其优化 83
4.1 多模型控制技术国内外研究现状 83
4.2 多模型控制技术基础理论 85
4.2.1 模型集的构建 86
4.2.2 切换策略的设置 86
4.2.3 控制器间的转换与优化 87
4.3 基于权值设置的线性多模型切换 87
4.3.1 多模型切换过程中权值范围的设置 87
4.3.2 基于UMV的多模型控制 91
4.3.3 基于权值设置的加权多模型切换流程 94
4.4 基于控制策略设置的非线性多模型优化切换 99
4.4.1 基于加权因子的非线性多模型切换 99
4.4.2 非线性多模型控制策略 100
4.4.3 UMV运动控制模型特点 102
4.5 基于能量函数的非接近同态多模型优化切换 105
4.5.1 UMV运动控制模型的特点 105
4.5.2 非接近同态多模型切换稳定定义 105
4.5.3 基于状态变量减少的多模型切换策略 107
4.5.4 状态变量增加的非接近同态多模型切换 110
4.5.5 数字仿真实验分析 111
4.6 本章小结 114
参考文献 114
5 AUV运动控制技术仿真分析 118
5.1 基于神经网络补偿的AUV动态反馈控制 118
5.1.1 AUV运动轨迹误差模型 119
5.1.2 所研究AUV运动控制模型的特点 123
5.1.3 半物理仿真验证 124
5.2 基于AUV运动控制的状态反馈滑模控制法 127
5.2.1 基于SFSMC的AUV控制模型设置 128
5.2.2 基于AUV运动模型的动态状态反馈控制策略 129
5.2.3 AUV各控制模型控制律设计 131
5.2.4 基于SFSMC的AUV仿真 132
5.3 基于AUV运动控制的控制器集在线优化 135
5.3.1 AUV运动模型的多模型控制库 135
5.3.2 AUV多模型控制库的描述 137
5.3.3 基于AUV运动的多模型控制库仿真验证 138
5.4 本章小结 142
参考文献 142
6 USV系统运动控制及其外场试验 145
6.1 USV系统（BQ-01）简介 145
6.2 多辨识模型切换动态反馈USV湖泊试验航向运动控制 147
6.2.1 BQ-01系统航向辨识模型 148
6.2.2 USV系统航向辨识模型参数估计与筛选函数的构建 148
6.2.3 BQ-01系统航向运动临时模型集的构建 150
6.2.4 基于USV航向运动的动态反馈控制策略 151
6.2.5 基于辨识模型集的控制切换策略 152
6.2.6 USV航向湖泊试验验证及其分析 154
6.2.7 USV系统湖泊试验航向控制小结 155
6.3 辨识模型集动态滑模控制在USV系统深度控制中的研究 156
6.3.1 基于USV深度模型的平均拟合偏差的最小二乘算法设计 157
6.3.2 深度控制模型参数估计与临时模型集构建 159
6.3.3 USV多动态滑模控制法及其切换策略 162
6.3.4 系统湖泊试验数据分析 165
6.3.5 USV系统湖泊试验深度控制小结 167
6.4 基于在线优化PID控制律的USV航向海洋试验 167
6.4.1 基于USV航向模型的在线自优化PID控制律构建 169
6.4.2 USV航向控制试验数据分析 172
6.5 基于动态反馈控制的USV深度控制海洋试验数据分析 175
6.6 本章小结 177
参考文献 177
7 基于多模型优化切换的AUV外场试验 181
7.1 非接近同态动态滑模控制在AUV深度控制中的研究 182
7.1.1 湖泊试验中AUV垂直面运动模型 183
7.1.2 基于状态变量增减的多模型切换策略 184
7.1.3 湖泊试验过程中AUV垂直面运动控制策略及其切换策略 189
7.2 非接近同态动态反馈控制在AUV航向控制中的研究 192
7.3 切换策略设置及其不同型号AUV切换 194
7.4 AUV湖泊试验数据分析 194
7.4.1 基于多模型动态反馈的航向控制试验验证（AUV-Ⅰ） 195
7.4.2 基于多模型动态滑模控制的深度控制试验验证（AUV-Ⅰ） 198
7.4.3 控制模块通用性验证 200
7.5 基于PID的AUV运动湖泊试验数据分析 201
7.6 本章小结 203
参考文献 205
8 总结 208
附录六 自由度动力学方程 211
索引 213
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