《无人水下航行器集群控制》正式出版!

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我国是海洋大国,拥有丰富的海洋资源及漫长的海岸线。在海洋形势日趋复杂的今天,面向海洋保护区监管和海岸带、海岛保护监管等现实需求,加强智能化海洋作战系统的研究已迫在眉睫。无人水下航行器作为新型智能化海洋武器装备,具有体积小、隐身性好、很难被拦截、不易被追踪等特点,能够在海洋战场评估、情报侦查、水下探测、探险、扫雷、协同作战等领域发挥重要作用。. R2 n& |$ Z6 p6 E8 L7 B
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5 d  Z+ z* d; I3 ?4 h6 [; ^. ~0 z5 W( }/ F
CO3-AUVs 海上实验
: V3 ~& q/ E. e% x1 V) e( j+ l
8 J4 e2 [1 e- O" i# r; L
                               
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2 Y6 Y$ z' [/ A* |; sSwarm-diver 航行器集群
  m7 U/ v1 e0 \6 H( {
% x" y( S- b/ F5 w+ B
                               
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奥地利 Cocoro 航行器集群
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8 C3 Q1 q: m  h: u6 p7 u9 L
                               
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; ^) ?. `" ~3 z$ Y$ U; ^  }哈尔滨工程大学航行器集群% Q" m" N" s) K) F9 k, N
受自然界中生物集群行为启发,同时得益于电子信息技术的推陈出新,无人水下航行器集群技术迅猛发展,已成为当前各主要国家和地区争先推进的前沿尖端技术。集群系统融合群体协同和单体自主性优势,具有更高的灵活性、机动性、任务执行效率和更广的作业范围,可代替人类完成更复杂的任务,进而满足协同区域搜索、编队巡逻、多无人平台协同围捕等实际需求,这进一步扩展了无人系统的应用领域。
: G: `& [! A( X$ ^9 `+ @' J) m4 t( d7 X
《无人水下航行‍器集群控制》取材于作者团队近年来的相关研究成果。本书共分为 6 章,体系结构如下图所示。第 1 章概述了无人水下航行器集群控制理论和研究概况,第 2 章建立了欠驱动无人水下航行器的运动模型,第 3章主要研究了欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制,第 4 章主要研究了欠驱动水下航行器路径跟踪控制,第 5 章主要研究了多水下航行器协同编队控制方法;第 6 章主要研究了多水下航行器集群跟踪控制方法。0 @9 h3 W8 `# E5 T( M
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$ Q' B+ X( ^3 P9 d) f0 }/ s. R
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本书体系结构图
) T6 ^% [) x$ {( X% s9 b具体内容安排如下:4 V/ I2 N& {2 U
第 1 章“绪论”给出了无人水下航行器集群的定义,概述了国内外航行器集群控制的研究进展,介绍了本书中用的理论知识,并对体系结构进行了说明。
  a+ Z* Q1 h, s3 Q第 2 章“欠驱动无人水下航行器运动模型”给出了欠驱动无人水下航行器运动学和动力学方程,并对欠驱动系统进行了本质非线性、非完整特性、可控性与系统稳定性分析;利用 MATLAB 编写实验程序,进行操纵性仿真实验验证。1 _- {$ Q/ p7 n
第 3 章“欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制”首先基于自适应动态面设计速度和转艏控制器,克服了传统反步设计过程中的微分爆炸问题;然后,通过引入虚拟航行器,简化了轨迹跟踪控制器设计步骤,保证航行器跟踪上参考轨迹;最后,基于神经网络和模糊逻辑系统设计干扰逼近器,补偿环境干扰及模型不确定性,提高了控制系统在复杂海洋环境下的鲁棒性。
  P& ?$ T- X' u5 U, J$ u第 4 章“欠驱动水下航行器路径跟踪控制”主要研究外界干扰下的路径跟踪问题。研究路径规划方法,克服传统势函数中的目标不可达和局部极小值问题;为提高航行器收敛至期望路径的暂态行为,设计基于误差的趋近角;考虑海流干扰问题,一方面设计基于阻尼反步的动力学控制器,提高系统的抗干扰性;另一方面基于李雅普诺夫稳定性设计非线性海流观测器,补偿未知海流干扰,仿真实验结果验证了所提控制方法的有效性。
( x6 e, J3 J9 o* `. y! n* \第 5 章“多水下航行器协同编队控制”主要研究了集中式编队控制和分布式编队控制。分析领航跟随编队结构,建立领航跟随编队模型,基于反步法和李雅普诺夫直接法设计跟随控制律,实现了多航行器协同编队控制;为提高编队方法的实用性,利用一致性理论和视线制导方法,设计基于路径参数一致的协同跟踪制导律,分别实现了多路径协同跟踪控制、单路径协同跟踪控制以及单路径协同包围控制。9 L% R( B8 X( A. w& V4 L5 O% E
第 6 章“多水下航行器集群跟踪控制”主要研究了集群自组织分布式协同控制方法。首先,基于生物自组织行为构建了集群聚集模型,通过李雅普诺夫稳定性理论设计集群期望速度;其次,利用小波神经网络设计干扰逼近器估计未知干扰,基于图论设计群中心观测器,实现了不确定干扰下的航行器集群轨迹跟踪控制;再次,基于视线法和集群自组织聚集模型设计群中心制导方法,实现了多航行器集群路径跟踪控制;最后,通过改进的人工势函数修正集群速度,保证多航行器在航行过程中能够安全绕过障碍物,仿真实验结果验证了所提方法的有效性。1 I" K' y' h. Y4 z
作者简介7 G/ D  x# r8 S7 `. X
% Z7 J9 z  k. ?4 ~
                               
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* X3 M8 x  r) i4 G' g0 ?) \; a梁霄,大连海事大学教授、博士生导师、国家级科技重大专项项目首席科学家,长期从事海上无人系统群体智能决策与协同控制研究,入选交通运输部“交通运输青年科技英才”、辽宁省“创新人才支持计划”、辽宁省“兴辽英才计划—青年拔尖人才”、辽宁省“百千万人才工程”等,发表学术论文 100 余篇,承担国家级科技重大和重点项目 2 项、国家自然科学基金项目4项,现为中国人民解放军陆军装备部专家、海军装备部专家、辽宁省造船工程学会专家组成员、辽宁省水下机器人联盟专家委员、国家自然科学基金评审专家等。容简介: S+ U8 S! e7 @9 P; M8 _
本书从模型、理论和仿真等角度,深入系统介绍无人水下航行器集群控制的理论和方法。首先,本书概述了无人水下航行器集群研究现状,并对反步、滑模等非线性控制方法进行简单介绍;其次,通过分析航行器控制特性,建立运动学模型,并基于该模型进行操纵性仿真;再次,针对欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制、路径规划、路径跟踪控制、多路径协同跟踪控制、单路径包围控制、集群轨迹跟踪控制、集群路径跟踪控制及集群避障等问题,分别基于动态面、神经网络、模糊系统、图论、势函数及一致性等理论设计控制器;最后,为验证上述控制方法的有效性和优越性,给出了详细的理论证明和仿真结果。$ K# N+ N; w7 B2 C
目录速览& x1 V7 E+ p) f3 J6 g: o6 N
前言
8 J; \; x8 B- E$ y: t% b5 l, K6 [
7 ^. c/ i( K$ M第1章 绪论 1
; K* ^$ }% y; _3 p) t1.1 无人水下航行器集群概念 1+ C5 r! L) y! ^- O. [
1.1.1 无人水下航行器集群定义 1
9 f) v$ V6 R8 _- g0 ]1.1.2 无人水下航行器集群背景 2; c: f) b1 R! |: p# W
1.2 无人水下航行器集群系统研究概况 3
2 |9 C; N1 D3 f: D+ |1.3 无人水下航行器集群控制研究概况 48 ^, V5 r2 @. {, V: a1 t
1.4 预备知识 6
3 n1 }0 p- w5 J! d' I6 I1.4.1 反步控制 63 f1 @7 Y) w# ]
1.4.2 动态面控制 81 l& E# e$ H1 g6 C& I9 ^
1.4.3 滑模控制 9$ n6 d7 Q7 J) `# y- W" S
1.4.4 李雅普诺夫稳定性理论 10
  e1 [$ D+ _6 s! q1.5 本书体系结构 12, i  y4 j9 S7 n
参考文献 13% g) q) k& [. J7 T
第2章 欠驱动无人水下航行器运动模型 16
# B. O2 D1 T  I' [9 ?7 U2.1 运动学模型 16
* v! o6 d  F" W, @! H6 c2.1.1 符号定义 16/ x& m5 a3 J1 ?. _+ x* U' x% p$ `! U
2.1.2 坐标系 179 F2 c% I" q1 y- U7 v0 H
2.2 动力学模型 203 l, G( m& l# h) \" l
2.2.1 六自由度模型 20+ i$ w! Z: c5 r$ R) ~# ~! V
2.2.2 三自由度模型 242 ^, n9 P9 A* _5 H
2.2.3 控制特性分析 25
. J4 |. u0 B% F2 Z/ a2.3 操纵性仿真 28' L" }+ {* }) \+ a2 V
2.3.1 二维操纵性仿真 29
9 ^; U& \* G1 \! }- r- n) ^  E5 y4 u2.3.2 三维操纵性仿真 31
, `& M' N4 E! k$ u2 t2.4 本章小结 322 ?7 u1 t) k$ \4 ]# J: W5 k
参考文献 32
: ~- ~, h, y  g' r5 g9 m第3章 欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制 343 I) Z& D: _! q; o/ X) P2 T% r
3.1 基于反步法的基础控制 347 L; x, |5 O4 e# I2 |1 L" W
3.1.1 二维基础控制 342 e& ^- g5 S% @; z8 G
3.1.2 三维基础控制 40
2 ~/ x3 I* o  a3.2 基于动态面的二维轨迹跟踪控制 44# `, W- \" ^  j0 _
3.2.1 问题描述 44
1 P+ \' |: f& x; c+ L/ x3.2.2 速度转艏控制器设计 45
6 g# m9 y0 w& Z' [( Y8 `$ N3 J7 I3.2.3 稳定性分析 49* x; H% h$ b7 u. F7 ~4 I* M) f. v
3.2.4 仿真实验 51' L/ d. g' m1 k; J' w
3.3 基于自适应动态面的三维轨迹跟踪控制 53
, H$ T: ]& `0 Q4 K$ d3.3.1 问题描述 534 @$ x4 B. E  h; \5 v# \* O
3.3.2 速度转艏纵倾控制器设计 55: ]7 f: o* S3 ~6 f; }1 M
3.3.3 稳定性分析 586 U0 g$ I" Y! g6 M* ?3 b
3.3.4 仿真实验 59- U; i9 F7 h6 d# F8 [5 Y6 m' |
3.4 基于神经网络逼近的轨迹跟踪控制 61
( F: C1 ]( D( \+ b' s* V& s3.4.1 问题描述 61) v0 J% A% {, K6 A) [) a5 k- ~
3.4.2 控制器设计及稳定性分析 61
! z: i/ ~% K4 |( s: V+ y5 Y3.4.3 仿真实验 70
8 T$ g4 I- h4 K# Z& c" m3.5 基于模糊逼近的轨迹跟踪控制 73
, q! J: ^2 g5 W. g3.5.1 控制器设计及稳定性分析 74
% p  d8 U! D8 W4 T" @3.5.2 仿真实验 80
, h# @8 z; D  v0 S+ _4 F3 w8 C% c3.6 本章小结 84. @$ F5 o. }8 k1 r# G% r: `/ \
参考文献 84& W8 k7 @" i/ \. h5 L  Y0 _
第4章 欠驱动水下航行器路径跟踪控制 86: K2 S6 O; n1 \
4.1 基于模糊势函数的路径规划 87$ L5 j, p0 X$ m( a* e
4.1.1 问题描述 87
) O4 @; ~# ~$ J; @6 X4.1.2 模糊势函数设计 875 U, X. ]$ z" \- n! H8 X: D9 A( Y
4.1.3 仿真实验 90( S  L" p! D$ w- f: a0 y) \% r
4.2 基于自适应滑模的水平面路径跟踪控制 91
" ^" b8 }7 x% w  R! q4.2.1 问题描述 91
0 Y* V- y( w) I: O7 {0 p# Q4.2.2 自适应滑模控制器设计 93
( j# }6 s. Z" @4.2.3 稳定性分析 95
4 C: H5 c( S/ k$ p/ c# H2 v7 H4.2.4 仿真实验 95
- `8 s5 _" q- g5 h4.3 基于自适应滑模的垂直面路径跟踪控制 98
9 y" M  _  W' {0 `" Q9 s8 @0 N3 v4.3.1 问题描述 98
( ^- f( A$ a( ~0 I4.3.2 自适应滑模控制器设计 1005 F' V6 ]- D% K. |5 s1 O/ T
4.3.3 仿真实验 102$ `) `- [/ W% e6 m- g" a, N) R9 n) x
4.4 基于阻尼反步法的三维路径跟踪控制 105+ e! d+ ~& e; {2 }, {  x
4.4.1 问题描述 105, {" x- D) ]8 d6 y& e6 `5 t8 W
4.4.2 阻尼反步控制器设计 107; I3 h! n9 Z+ k7 o
4.4.3 稳定性分析 111
6 |/ @; r: h; p+ ]4.4.4 仿真实验 113: R' J# w! C* N; S6 C
4.5 基于海流观测器的三维路径跟踪控制 114) H& o9 a4 B. j  G* N
4.5.1 海流干扰分析 115* e7 N! {7 a1 I
4.5.2 海流观测器设计 117
/ Z2 w. {$ O* O( e1 X& j4.5.3 反步滑模控制器设计 118" Z! _' o7 Q# s2 }  L% N% M. p
4.5.4 稳定性分析 121
7 u3 V9 t( G0 N2 a* w* Y8 @4.5.5 仿真实验 123! ?) R1 V  C( m4 H
4.6 本章小结 126
9 C7 f* x# U* j参考文献 126
* t% _( r8 D& M4 H. j/ x& h+ C第5章 多水下航行器协同编队控制 128' X3 p/ R- ]/ H: d0 g0 A
5.1 基于领航跟随的二维编队控制 128* p  _( p) e: D' G% P
5.1.1 领航跟随编队模型 128- r' \5 n. r" j- H
5.1.2 问题描述 130- y; r' N8 i, w9 d6 U. d
5.1.3 基于级联的控制器设计及稳定性分析 132: v) g% ~' K! b; H/ K
5.1.4 仿真实验 139
4 p8 ~# C% o% u/ p; J" I$ ]5 p$ O5.2 基于虚拟航行器的三维领航跟随编队控制 144/ D' y/ k- M9 S4 ^" o% B
5.2.1 问题描述 144+ [* z* ?! ~2 z2 k/ j% ^* @
5.2.2 虚拟航行器设计 145$ V3 P7 ^- G0 L# V* k) E
5.2.3 控制器设计及稳定性分析 147$ ?7 k1 C  x& }& E5 A
5.2.4 仿真实验 150
3 P" m3 _, F+ c. v- s5 ]5.3 基于路径参数一致性的多路径协同跟踪控制 1513 t  `$ J" t9 A, Y8 S
5.3.1 问题描述 151
& c% ~6 V* m2 H+ p8 i; S. M/ v5.3.2 控制器设计及稳定性分析 152
  }0 l! Z4 g3 K3 H5.3.3 仿真实验 156
4 F$ j$ x( ~  m6 i. g5.4 基于路径参数包含的单路径协同跟踪控制 158
, q0 F, N: G! w) K5 K: L/ i5.4.1 问题描述 1583 c" C) G: Z/ U  e/ F0 H
5.4.2 控制器设计及稳定性分析 158+ V! o4 ?0 b( ?8 O
5.4.3 仿真实验 163
! o3 `/ A, P, g& d$ R/ B! @5.5 基于路径参数循环跟踪的单路径协同包围控制 165
2 q) l! n# o6 @2 m! _5.5.1 问题描述 165% L/ u8 o' s2 v( J) Q
5.5.2 控制器设计及稳定性分析 1652 W! l: j8 x+ v2 x) Z& L$ `
5.5.3 仿真实验 169
  O. @6 @9 c' E9 }# t4 E4 L5.6 本章小结 170- t& ?2 q+ T- D+ W
参考文献 170
- ^& b! y! `" m1 X  R5 ~9 Q第6章 多水下航行器集群跟踪控制 172* R$ w1 E( P7 U3 E2 ^1 u# {
6.1 集群自组织方法设计 173
/ g+ o: S2 V5 K' M& h6.1.1 生物自组织集群模型 173# T6 ~* R' W' ^- Y& A9 v
6.1.2 集群速度向量设计 175
4 n+ k, P  J0 N8 S6.2 基于群中心观测的集群轨迹跟踪控制 1779 I; I4 x) S6 b! A
6.2.1 问题描述 177
; R9 U1 h0 }, V; ?0 x( Q6.2.2 群中心观测器设计 178% ~% I( K. s) O7 g2 M( G2 p5 ?
6.2.3 控制器设计及稳定性分析 180; t* V8 r  B) S
6.2.4 仿真实验 187
' S. g: ]5 }! W5 f6 t% e& M- s6.3 基于群中心制导的集群路径跟踪控制 193
& Y8 U! S( |; R4 c+ c; K* m  {: n! k6.3.1 问题描述 193
! U8 `5 I3 E- K2 A: l' w6.3.2 群中心制导律设计 194) E  K) j/ b+ P
6.3.3 控制器设计及稳定性分析 1974 g( Q3 ]- E( g$ s7 b! @
6.3.4 仿真实验 200
8 v1 Q. `0 U$ `/ \0 L6.4 基于势函数的集群自主避障控制 2039 T* I, O' j+ a# g/ r  O
6.4.1 问题描述 203
% C9 {2 p$ ?- A/ @# I7 X% Q) y6.4.2 速度观测器设计 204( j" a7 {( \4 W4 V6 B
6.4.3 避障势函数设计 205( M6 N& w( E& \3 I" G8 o' _
6.4.4 控制器设计及稳定性分析 2077 P6 ~% H8 r3 U8 y5 U
6.4.5 仿真实验 211
' E" b( e( N. n( T6.5 本章小结 2148 c5 ~$ P' w* P5 n- A, u
参考文献 215( e% k& `+ y, p7 }
6 y: T; K4 }; Z7 F
                               
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9 b! x) G* h) k( ^
7 K+ |( b. u% Q& q- ^* F5 ]1 x3 ^6 d1 p) H" d) {4 m
信息来源:科学出版社。
! c& Y& S( `  C3 B
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