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船舶智能航行制導與控制張國慶科學出版社9787030723093 工業技術
該商品所屬分類:圖書 -> 各出版社圖書
【市場價】
806-1168
【優惠價】
504-730
【作者】 張國慶 
【出版社】科學出版社 
【ISBN】9787030723093
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內容介紹



出版社:科學出版社
ISBN:9787030723093
商品編碼:10057113089043

包裝:平裝
開本:B5
出版時間:2021-06-01

頁數:156
字數:220000
代碼:98

作者:張國慶

    
    
"
  商品基本信息,請以下列介紹為準
商品名稱:船舶智能航行制導與控制
作者:張國慶,張顯庫著
代碼:98.0
出版社:科學出版社
出版日期:2021-06-01
ISBN:9787030723093
印次:
版次:1
裝幀:
開本:B5

  內容簡介

本書突出船舶控制工程技術特點,既力求掌握控制理論的相關理論知識,又立足於實踐與應用。結合筆者多年來夯實的前期研究工作積累,繫統結了船舶智能航行制導與控制的基本理論和方法。本書共8章,主要內容為:緒論、船舶運動數學模型、小參數化條件下的船舶智能制導與魯棒控制、考慮執行器配置約束的船舶智能制導與魯棒控制、海洋工程環境下動力定位船舶優化制導與魯棒控制、具有踫撞風險預測機制的船舶智能制導與魯棒控制、多靜止目標環境下船舶智能制導與魯棒控制、混合障礙目標環境下船舶智能制導與魯棒控制。本書內容融入了筆者對船舶動控制科學的一繫列思考所得和研究設計範例,力求使本書內容在全面性和實用性方面具有較高的參考價值。


  目錄

前言 

第1章緒論1 

1.1船舶運動控制發展概述2 

1.2船舶智能航行制導與控制5 

1.2.1船舶動力定位控制5 

1.2.2船舶路徑跟蹤控制6 

1.3船舶智能航行關鍵問題分析9 

1.4全書結構內容安排10 

第2章基本概念與基礎理論12 

2.1Lyapunov穩定性理論12 

2.1.1穩定的概念12 

2.1.2Lyapunov穩定性定理13 

2.1.3自適應Backstepping控制15 

2.2非線性船舶運動數學模型21 

2.2.1船面運動的運動學關繫22 

2.2.2船舶動力學模型23 

2.2.3執行伺服繫統模型24 

2.3海洋環境干擾模型29 

2.3.1風干擾模型29 

2.3.2海浪干擾模型32 

2.3.3海流干擾模型35 

2.4海洋環境干擾下的船舶運動數學模型35 

2.5本章小結36 

第3章*小參數化條件下的船舶智能制導與魯棒控制38 

3.1問題描述38 

3.2虛擬小船邏輯制導算法40 

3.3*小參數化條件下的簡捷魯棒自適應控制41 

3.3.1控制器設計41 

3.3.2穩定性分析44 

3.4研究47 

3.4.1對比實驗48 

3.4.2海洋環境干擾下的實驗結果51 

3.5本章小結53 

第4章考慮執行器配置約束的船舶智能制導與魯棒控制54 

4.1問題描述55 

4.2DVS制導算法56 

4.3考慮低頻增益學棒神經網絡控制59 

4.3.1控制器設計59 

4.3.2穩定性分析62 

4.4研究65 

4.5本章小結70 

第5章海洋工程環境下動力定位船舶優化制導與魯棒控制71 

5.1問題描述71 

5.2面向動力定位任務的DVS優化制導73 

5.3考慮執行器增益不確定的動力定位魯棒自適應控制74 

5.3.1控制器設計75 

5.3.2穩定性分析77 

5.4研究79 

5.4.1對比實驗79 

5.4.2具有能量優化機制的實驗結果82 

5.5本章小結85 

第6章具有踫撞風險預測機制的船舶智能制導與魯棒控制86 

6.1問題描述86 

6.1.1設計模型86 

6.1.2擴展狀態觀測器88 

6.2具有踫撞風險預測機制的DVS避障制導89 

6.3基於擴展狀態觀測器的魯棒自適應控制94 

6.3.1觀測器與控制器設計94 

6.3.2穩定性分析97 

6.4研究99 

6.4.1對比實驗99 

6.4.2海洋環境干擾下的實驗結果100 

6.5本章小結104 

第7章多靜止目標環境下船舶智能制導與魯棒控制105 

7.1問題描述105 

7.2多靜止目標環境下的DVS避障制導107 

7.3考慮計算負載需求的魯棒有限時間控制110 

7.3.1控制器設計110 

7.3.2穩定性分析112 

7.4研究114 

7.4.1對比試驗114 

7.4.2海洋環境干擾下的實驗結果118 

7.5本章小結119 

第8章混合障礙目標環境下船舶智能制導與魯棒控制120 

8.1問題描述120 

8.2混合障礙目標環境下的DVS避障制導122 

8.3考慮執行器增益不確定的路徑跟蹤魯棒有限時間控制126 

8.3.1控制器設計126 

8.3.2穩定性分析128 

8.4研究130 

8.4.1對比試驗130 

8.4.2海洋環境干擾下的實驗結果132 

8.5本章小結135 

附錄:主要符號、縮寫說明136 

參考文獻138 


  前言

船舶制導與控制是當前智能船舶研究領域中一個重要的研究課題,內容涵蓋範圍廣泛括船舶路徑跟蹤、動力定位、智能避障、自主航行與姿態控制等眾多主題,終目標在於提高船舶自動化、智能化,保證船舶海上航行的性、經濟性、舒適性。

本書從相關理論發展角度出發,共分8行闡述,主要內容如下。

第1章為全書的緒論,回顧了船舶運動控制理論的發展歷史,圍繞動力定位和路徑跟蹤任務,考察了船舶智能航行制導與控制理論發展概況,為讀者閱讀本書提供了一個整體性、概略性的了解。

第2章介紹了Lyapunov穩定性理論、自適應Backstepping控制、非線性船舶運動數學模型推導過程及簡化方法,並討論了執行器伺服繫統、海洋環境干擾等建模理論,為後續章節中開展制導與控制繫統設計提供基礎。

第3章,利用DSC和MLP技術,提出了一種小參數化條件下的船舶智能航行制導與魯棒控制方法。

第4章,面向船舶控制工程實際需求,提出了一種考慮執行器配置約束的船舶智能航行制導與魯棒控制方法。

第5章,考慮了海洋工程實際中“動力定位船舶輔助繫統不適於惡劣海況下長期任務值守”,提出一種具有能量優化機制的動力定位船舶DVS優化制導與魯棒控制方法。

第6章,針對船船會遇避障問題,提出了一種具有踫撞風險預測機制的船舶DVS避障制導與魯棒控制方法。

第7章,針對多靜止障礙目標航行環境特征,提出一種考慮控制工程計算負載需求的船舶DVS避障制導與魯棒控制方法。

第8章,針對混合障礙目標航行環境特征,提出一種考慮執行器配置約束的船舶DVS避障制導與魯棒控制方法。

本書第1章、第5~8章由張國慶撰寫,第2章由張顯庫撰寫,第3、4章由張國慶和張顯庫共同撰寫,研究生李紀強、劉上、李博、韓軍、董相君對書行了校對及整理工作。在本書的撰寫過程中,賈欣樂教授給予了悉心的指導。感謝大連海事大學劉正江校長、章文俊教授、尹勇教授、謝洪彬教授對本書的悉心指導及寶貴意見。本書反映了筆者的新研究成果,對從事船舶運動控制研究的學者具有一定的借鋻意義。

本書獲得國家自然科學(52171291,51909018)、遼寧省自然科學(20180520039)、大連市科技創新(2019J12GX026)和遼寧省“百千萬人纔工程”項目(2021B64)的資助,在此表示深切的謝意。

由於作者有限,書中難免存在不足之處,懇請廣大專家讀者批評、指正。


  摘要

第1章緒論

當前,藍色正逐漸滲入中國經濟的底色,我國經濟形態和開放格局呈現出的“依海”特征,大力發展海洋經濟、加快建設海洋強國成為我國現代化經濟體繫建設中的一項重要任務[1]。據統計,2020年全國港口貨物吞吐量完成145.5億噸,港口集裝箱吞吐量完成2.6億標箱,港口貨物吞吐量和集裝箱吞吐量均位居世界位;全國內河貨運量完成38.15億噸,全國內河航道通航裡程超過12萬公裡,居世界[2]。隨著海洋區域經濟的快速發展,提升船舶智能航行技術裝備已成為世界各國和地區的重要發展戰略。為此,《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006一2020年)》提出,要大力發展船舶領域信息化和智能化技術,解決我國高技術船載裝備配套能力弱的問題。黨的報告提出要建設海洋強國,將“提高海洋資源開發能力,發展海洋經濟,保護海洋生態環境,堅決維護國家海洋權益”納入我國建設海洋強國的戰略目標中一步強調了加強海上交通運輸裝備技術在國家戰略中的重要地位[3]。

伴隨著人工智能和自動駕駛技術的迅猛發展,2016年初,羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce,RR)公司在芬蘭所建立的合作項目“高級無人駕駛船舶應用開發計劃(advancedautonomous waterborne applications,AAWA)”引起航運界乃至全球的關注[4.5]。2017年1月,挪威海事局和挪威海岸管理局將特隆赫姆海峽作為世界上片允行無人船相關測試的海域。芬蘭國家海洋產業局、交通通信局等機構也與勞斯萊行了智能船舶項目合作談判,探索如何在波羅的海部署無人駕駛船舶。2017年6月,中國船級社聯合美國船級社、中國艦船研究設計院、滬東造船廠、中國船舶及海洋工程設計院、海航科技集團等成立了我國無人貨船開發聯盟[6]。以上事實表明,智能船舶作為海上交通運輸的重要載體,其相關研究已在全球範圍內開展。

船舶運動控制是當前智能船舶研究領域的一個重要研究課題,其終目的是提高船舶自動化、智能化,保證船舶海上航行的性、經濟性、舒適性,開展對其的研究也顯得尤為重要[]。在船舶實際航行作業中,基本的運動控制任務可概括為5類問題[8]:①大洋航行自動導航問題括航向保持、轉向控制、航跡保持、航速控制(到港時間控制)、動力定位控制等;②港區航行及自動靠離泊問題,涉及船舶在淺水中的低速運動,風、浪、流干擾相對增大,繫統信息量增多,操縱和控制更趨困難;③擁擠水道航行或大洋航行的自動避踫問題,主要涉及多船會遇、踫撞危險度評估、多目標決策、踫撞佳時機及佳轉向幅度預報等;④船舶減搖控制,主括鰭減搖控制、舵減搖控制和舵鰭聯合減搖控制等;⑤無人航海載運工具的控制,主括無人水下機器人(unmanned underwater vehicle,UUV)的控制、遙控機器人(remotely operated vehicle,ROV)的控制、自主水下機器人(autonomousunderwater vehicle,AUV)的控制、無人水面船舶(unmanned surface vehicle,USV)的控制、無人半潛船舶(unmanned semi-merle carrier,USSC)的控制等。圍繞以上5類問題,以智能航行制導與控制相結合為切入點開展船舶自動化繫統設計是實現高技術海洋資源開臺建設或復雜智能航行任務的關鍵。

事實上,海上大型船舶通常隻裝備主螺旋槳(固定螺距螺旋槳或可調螺距螺旋槳)和舵設備分別驅動船舶和艏搖運動(沒有專門用於鎮定橫漂運動的驅動設備)。盡管部分船舶裝有艏側推設備用於橫漂運動的鎮定控制,但這類設備常因船舶縱向高速水動力影響而不能有效控制船舶運動[7]。因此,大型船舶通常是一類典型的欠驅動機械繫統,具有二階不可積分非完整約束且不能有效轉換為無漂鏈式繫統。這對開展大型船舶智能航行制導和控制研究工作提出了新的挑戰[9,10]。根據大型船舶運動控制繫統組成能,動態避障/路徑跟蹤任務可分為以下3類子繫統設計實現,即制導、控制、導航,如圖1.1所示。制導繫統主要根據操控人員設定的航路點信息、航行水域障礙物分布情況實時規劃出光滑的參考路徑,為船舶控制策略提供參考姿態(位置)、速度、加速度信號,引導船舶實現自主航行;控制繫統能夠根據船舶運動姿態、速度變量以及制導繫統給出的參考變量確定執行航行任務所需控制命令;導航繫統用於測量船舶運動姿態,主要由船載導航儀器完成,部分情況下需要設計觀測器實現對速度變量的估計。




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