隨著物聯網、大數據、人工智能（AI）、5G通信技術等高新技術的迅速發展和廣泛應用，船舶正逐步引入智能航行要素，船舶自主航行技術應運而生，實現完全自主安全航行成為船舶智能化發展的終極目標。根據國際海事組織等權威機構對船舶智能航行的功能分級，智能航行最高級別為自主駕駛，即無人化系統自主駕駛。近年來，挪威、瑞典、芬蘭、荷蘭、美國、日本、韓國以及我國的科研人員都做了大量的相關研究，也實現了自主避碰、遠程遙控和部分自主航行，但在技術層面上，現今的船舶自主化水平不足以滿足理想狀態下的大規模完全自主商業化運營，因此需要在相關領域進行深入研究。

作者多年來在船舶自主航行控制領域從事科研工作，積累了一些經驗和成果。因此，本書針對智能船舶自主航行時航向保持、航跡保持和自動靠泊控制的一些關鍵性技術難題，采用“簡捷”+“魯棒”+“自適應”的技術路線，設計了一套船舶自主航行非線性魯棒自適應控制策略。該策略能夠在外界環境擾動和模型參數攝動下具有較強的魯棒性，在擾動和模型參數不確定下具有較好的適應性。

本書由山東交通學院張強和西安交通工程學院張美娟合著，共6章，第1章為緒論；第2章為船舶運動數學模型；第3章為船舶簡捷魯棒自適應航向保持控制；第4章為欠驅動船舶有限時間軌跡跟蹤控制；第5章為船舶簡捷非線性神經網絡自動靠泊控制；第6章為船舶運動控制物理測試平臺。

感謝武漢理工大學馬勇教授和浙江海洋大學祝貴兵副教授在百忙之中審閱了本書，并提出了寶貴的修改意見。研究生譚文軼、朱雅萍、王琪文、李昊洋、張思航、楊濤對本書的部分資料收集、改進及校對做出了貢獻。

本書獲得國家自然科學基金（51911540478）、山東省自然科學基金（ZR2022ME087）、山東省研究生教育教學改革研究項目（SDYJG19217）的資助。

由于作者時間和精力有限，書中不妥之處在所難免，歡迎讀者批評指正。

編 者

2023年2月

第1章 緒論 1
1.1 智能船舶自主航行概述 1
1.2 船舶航向保持控制 2
1.3 船舶航跡保持控制 4
1.4 船舶自動靠泊控制 10
參考文獻 13
第2章 船舶運動數學模型 23
2.1 欠驅動水面船舶運動數學模型 23
2.1.1 船舶運動坐標系的建立 23
2.1.2 船舶運動特性 25
2.1.3 三自由度欠驅動水面船舶運動數學模型 29
2.2 MMG船舶港內操縱運動數學模型 32
2.2.1 MMG分離型船舶運動數學模型 33
2.2.2 船舶港內操縱數學模型修正 39
2.2.3 仿真驗證 43
2.3 本章小結 47
參考文獻 48
第3章 船舶簡捷魯棒自適應航向保持控制 50
3.1 基于簡捷非線性技術的航向保持控制 50
3.1.1 非線性反饋backstepping控制器設計 50
3.1.2 非線性修飾backstepping線性弱化控制器設計 53
3.1.3 仿真分析 56
3.2 基于非線性控制技術的港內操縱船舶航向保持控制 65
3.2.1 問題的描述 65
3.2.2 控制器設計 65
3.2.3 仿真分析 69
3.3 自適應自調節PID跟蹤控制 76
3.3.1 數學模型 76
3.3.2 控制器設計 77
3.3.3 仿真分析 80
3.4 自適應徑向基函數神經網絡控制 85
3.4.1 問題描述 85
3.4.2 控制器設計 86
3.4.3 仿真分析 91
3.5 本章小結 95
參考文獻 95
第4章 欠驅動船舶有限時間軌跡跟蹤控制 98
4.1 欠驅動船舶自適應有限時間軌跡跟蹤控制 98
4.1.1 船舶運動數學模型 98
4.1.2 控制器設計 100
4.1.3 穩定性分析 103
4.1.4 仿真分析 106
4.2 欠驅動船舶魯棒自適應有限時間軌跡跟蹤控制 111
4.2.1 船舶運動數學模型 111
4.2.2 控制器設計 112
4.2.3 穩定性分析 115
4.2.4 仿真分析 118
4.3 欠驅動船舶自適應在線逼近器的有限時間控制 124
4.3.1 船舶運動數學模型 124
4.3.2 控制器設計 125
4.3.3 穩定性分析 127
4.3.4 仿真分析 131
4.4 基于最小學習參數的欠驅動船舶神經網絡有限時間控制 140
4.4.1 船舶運動數學模型 140
4.4.2 控制器設計 142
4.4.3 穩定性分析 144
4.4.4 仿真分析 147
4.5 考慮未知時變擾動事件觸發欠驅動船舶自適應有限時間軌跡跟蹤控制 157
4.5.1 船舶數學模型 157
4.5.2 控制器設計 159
4.5.3 穩定性分析 159
4.5.4 仿真分析 163
4.6 本章小結 176
參考文獻 176
第5章 船舶簡捷非線性神經網絡自動靠泊控制 178
5.1 船舶自動靠泊簡捷非線性神經網絡控制 178
5.1.1 問題描述 179
5.1.2 控制器設計 180
5.1.3 仿真分析 182
5.2 基于簡捷反步法的欠驅動船舶自動靠泊控制 190
5.2.1 問題描述 190
5.2.2 控制器設計 194
5.2.3 仿真分析 196
5.3 基于自適應神經網絡的欠驅動船舶自動靠泊控制 201
5.3.1 問題描述 201
5.3.2 控制器設計 204
5.3.3 仿真分析 210
5.4 欠驅動船舶自適應神經網絡自動靠泊控制 216
5.4.1 問題描述 216
5.4.2 控制器設計 221
5.4.3 仿真分析 226
5.5 考慮轉艏角速度約束的欠驅動船舶自動靠泊控制 233
5.5.1 問題描述 235
5.5.2 控制器設計 237
5.5.3 仿真分析 244
5.6 本章小結 249
參考文獻 250
第6章 船舶運動控制物理測試平臺 253
6.1 自航船模系統設計 253
6.1.1 船型選擇 253
6.1.2 硬件設計 257
6.1.3 遠程控制平臺 259
6.2 旋回性能測試 260
6.2.1 IMO旋回性能的標準及船舶GM的要求 260
6.2.2 船舶旋回試驗性能分析 263
6.3 運動控制試驗 270
6.3.1 船舶航向保持簡捷非線性魯棒控制 270
6.3.2 船舶自動靠泊非線性模糊控制 274
6.3.3 基于簡捷非線性反饋的航跡保持控制 276
6.4 本章小結 280
參考文獻 281

1. 零基礎玩轉國產大模型DeepSeek [徐永冰 張帥 編著]
2. 網絡工程師5天修煉（適配第6版考綱） [主編　朱小平 施游]
3. 信息系統項目管理師考試32小時通關（適用第4版考綱） [薛大龍]
4. 信息系統管理工程師考試32小時通關（適配第2版考綱） [薛大龍　劉偉]
5. 土木工程材料檢測實訓 [洪曉江 達則曉麗 錢波]
6. 科技信息檢索與論文寫作實用教程 [李振華]
7. 傳統山水畫論解讀與實踐 [陳鈉 著]
8. Python數據庫編程 [主編 殷樹友 邢 翀]
9. 計算機基礎實訓指導 [主編 袁春萍 朱妮]
10. 嵌入式人工智能技術應用（數字教材） [主編 胡娜 楊國勇 晏廷榮]
11. Vienna整流器技術 [桂存兵 著]
12. 變頻器與伺服應用 [陳剛 葉云飛]
13. 物聯網工程設計與實踐 [湯琳 李敏]
14. 爐邊夜話——深入淺出話AI [汪建　著]
15. 電商運營與管理 [鐘肖英 陳瀟]
16. Java面向對象程序設計 [主編 姜春磊 陳虹潔]
17. 信息技術基礎（Windows 10+WPS Office）（微課版） [主編　石利平　田輝平　謝盛嘉]
18. 人工智能應用 [主編　陳　萍　劉培培　陳孟軍]
19. 大學生職業發展與就業指導 [主編　劉志堅]
20. 高級辦公應用項目教程 [主編 屈晶 趙成麗]
21. 微信小程序開發項目實戰（微課版） [主編 黃龍泉 郭峰 朱倩]
22. 企業檔案工作實戰寶典百問百答 [華俊 盧秀英 邵甜甜 著]
23. 計算機網絡原理及應用 [主編 唐繼勇 葉坤 孫夢娜]
24. 大學生創業基礎 [主編 王麗莉 王 楊]
25. 船舶輔機 [主編 王連海 于洋 姜淑翠]
26. 大學生就業指導 [主編 王麗莉 董宴廷]
27. 系統架構設計師章節習題與考點特訓 [主編 薛大龍 鄒月平]
28. 高校學生工作探索與實踐 [郭亮 著]
29. 大學生情商管理 [方雄 著]
30. 2023年長沙市會展業發展報告 [主編 周棟良]