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。
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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
3.2 SISO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
5.3.2 PID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
6.1.3 A*算法原理 139
6.2 海流影响下节能A*全局路径规划算法 142
6.2.1 A*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COLREGs 159
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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