水面机器人航行控制技术

本书系统深入地总结作者近年来在水面机器人航行控制技术领域的主要研究成果与工程实践经验，凝练并探索水面机器人航迹规划、运动控制等基础性技术问题。本书内容主要包括水面机器人航行控制技术的研究进展、水面机器人的运动建模与辨识、无模型自适应控制理论、无模型自适应运动控制、无模型自适应艏向控制、航迹规划、回收UUV制导与控制、实船试验研究。本书可供船舶与海洋工程、机器人、控制科学与工程等专业的高年级本科生、研究生，以及海洋机器人技术领域相关研究人员阅读参考。

丛书前言一
丛书前言二
前言
1绪论1
1.1水面机器人技术的发展回顾与分析1
1.1.1水面机器人的研究背景及意义2
1.1.2系统构成及技术内涵4
1.1.3水面机器人技术的研究进展6
1.1.4关键技术的发展趋势8
1.2水面机器人的运动控制技术进展9
1.2.1水面机器人的运动控制问题描述9
1.2.2运动控制技术研究现状10
1.2.3控制技术发展回顾与设计技术分类16
1.3水面机器人的航迹规划技术进展17
1.3.1路径规划技术进展17
1.3.2危险规避技术进展19
参考文献22
2水面机器人的运动建模与辨识27
2.1水面机器人的空间运动数学模型27
2.1.1常用坐标系与符号27
2.1.2空间运动数学模型及特征29
2.2水面机器人的水平面运动建模与分析29
2.2.1水平面运动建模及模型简化29
2.2.2水面机器人动力学特性分析33
2.3面向控制的水面机器人操纵性建模33
2.3.1操纵性响应数学建模34
2.3.2积分非线性最小二乘辨识方法35
2.3.3基于外场试验数据的模型辨识与回转性能分析39
参考文献43
3无模型自适应控制理论45
3.1自适应控制方法概述45
3.2SISO离散时间非线性系统动态线性化方法47
3.2.1紧格式动态线性化方法47
3.2.2偏格式动态线性化方法50
3.3基于紧格式动态线性化的无模型自适应控制51
3.3.1控制系统设计51
3.3.2系统稳定性分析53
3.3.3仿真试验与分析57
3.4基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制59
3.4.1控制系统设计59
3.4.2仿真试验与分析60
参考文献62
4水面机器人的无模型自适应运动控制技术64
4.1运动控制问题分析64
4.2融合角速度制导的无模型自适应艏向控制66
4.2.1融合角速度制导的双环艏向控制方法设计66
4.2.2基于动态线性化模型的自适应卡尔曼滤波算法69
4.2.3稳定性分析与控制流程71
4.2.4仿真试验与分析72
4.2.5主要结论79
4.3重定义输出式无模型自适应艏向控制80
4.3.1控制问题分析80
4.3.2重定义无模型自适应控制方法设计80
4.3.3系统稳定性分析82
4.3.4仿真试验与分析87
4.3.5外场试验与分析88
4.3.6主要结论90
参考文献90
5改进无模型自适应艏向控制技术93
5.1遗忘因子式重定义输出无模型自适应艏向控制93
5.1.1基于遗忘因子机制的控制方案设计93
5.1.2自适应变遗忘因子式RO-CFDL-MFAC算法96
5.1.3仿真试验与分析97
5.1.4外场试验与分析100
5.1.5主要结论102
5.2融合输入输出信息的无模型自适应艏向控制102
5.2.1输出动态调节型RO-CFDL-MFAC算法102
5.2.2输入输出信息融合型CFDL-MFAC算法113
5.3结构叠加式无模型自适应艏向控制120
5.3.1基于比例及积分分离式CFDL-MFAC算法121
5.3.2PID式CFDL-MFAC算法126
参考文献135
6水面机器人的航迹规划技术136
6.1全局路径规划方法相关理论136
6.1.1问题描述136
6.1.2地图模型构建137
6.1.3A算法原理139
6.2海流影响下节能A全局路径规划算法142
6.2.1A算法的寻优函数142
6.2.2水面机器人能耗模型建立144
6.2.3考虑海流影响的寻优函数设计145
6.2.4仿真试验与分析148
6.2.5主要结论152
6.3危险规避算法相关理论153
6.3.1问题描述153
6.3.2典型危险规避算法154
6.3.3基于速度障碍法的水面机器人运动特性分析156
6.4面向动态拥挤环境的危险规避算法159
6.4.1椭圆速度障碍原理与COLREGs159
6.4.2考虑运动特性约束的可行避碰航速矢量分析161
6.4.3面向动态拥挤环境的危险规避策略设计162
6.4.4仿真试验与分析168
6.4.5主要结论173
参考文献173
7水面机器人回收UUV的制导与控制技术176
7.1研究背景与进展176
7.1.1水面机器人回收UUV技术研究进展177
7.1.2回收UUV的主要问题分析180
7.1.3制导技术研究进展181
7.2面向回收UUV的水面机器人制导方法184
7.2.1制导技术概论184
7.2.2面向回收UUV的分层柔顺制导方法187
7.3制导仿真试验研究与分析192
7.3.1定航速目标追踪试验192
7.3.2变航速目标追踪试验195
7.3.3目标拦截试验197
7.3.4主要结论198
7.4面向回收UUV的差分型MFAC艏向控制算法199
7.4.1运动控制系统的自衡性分析199
7.4.2差分型CFDL-MFAC算法200
7.4.3二阶差分型PFDL-MFAC算法207
7.4.4一阶差分型FFDL-MFAC算法208
7.5艏向及航速控制仿真试验研究与分析209
7.5.1艏向控制的试验方案设计209
7.5.2艏向控制的仿真试验研究210
7.5.3航速控制的仿真试验研究218
7.5.4主要结论220
参考文献221
8水面机器人样机设计及实船试验研究224
8.1“海豚”系列水面机器人样机设计224
8.1.1总体性能及系统构成224
8.1.2控制系统的硬件及软件设计226
8.2实船试验方案设计230
8.2.1试验场地概况230
8.2.2试验方案及参数231
8.3艏向及航速控制试验232
8.3.1艏向控制试验232
8.3.2航速控制试验239
8.4回收目标模拟试验241
8.5实船试验研究总结245
参考文献246
索引247
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