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第1章　绪论：无人水下航行器的导航、制导与控制1

1.1 引言1

1.2　章节安排4

1.3　结束语13

参考文献14

第2章　UUV的非线性建模、辨识与控制15

2.1　引言15

2.1.1　符号15

2.2　UUV的建模16

2.2.1　六自由度运动学方程17

2.2.2　动力学18

2.2.3　运动方程19

2.2.4　包含海流因素的运动方程22

2.2.5　纵向和横向模型24

2.3　UUV的辨识30

2.3.1　刚体参数的预估计30

2.3.2　流体动力附加质量的预估计31

2.3.3　阻尼项的辨识31

2.4　UUV的非线性控制38

2.4.1　速度、深度和俯仰控制39

2.4.2　航向控制47

2.4.3　控制的其他方法50

2.5　结论50

参考文献50

第3章　制导律、障碍物规避与虚拟势函数53

3.1 引言53

3.2　航行器制导与航路跟踪54

3.2.1　航行器操纵模型55

3.2.2　视线制导57

3.2.3　航路横向误差58

3.2.4　航路横向误差控制器下的视线59

3.2.5　滑动模式下的航路横向误差导引61

3.2.6　大航向误差模式63

3.2.7　航路转换63

3.3　障碍物规避64

3.3.1　规划规避偏移路径64

3.3.2　反应式规避66

3.4　虚拟势函数73

3.4.1　障碍物规避势函数74

3.4.2　多障碍物75

3.5　结论78

3.6　致谢79

参考文献79

第4章　UUV的行为控制81

4.1　引言81

4.2　基于行为的控制系统原理84

4.2.1　协调86

4.2.2 自适应87

4.3　控制结构87

4.3.1　行为的混合协调89

4.3.2　基于强化学习的行为91

4.4　实验装置93

4.4.1　URIS UUV93

4.4.2　装置94

4.4.3　软件结构95

4.4.4　用做导航工具的计算机视觉96

4.5　结果97

4.5.1　目标跟踪任务98

4.5.2　未知环境的探测和测绘100

4.6　结论101

参考文献102

第5章　过驱动开架式水下航行器的推进器控制分配105

5.1　引言105

5.2　问题的阐述106

5.3　术语108

5.3.1　约束控制子集Ω108

5.3.2　可达指令集Ф110

5.4　伪逆111

5.5　不动点迭代法115

5.6　混合方法116

5.7　过驱动螺旋桨推进UV的推进器控制分配应用118

5.8　结论124

参考文献125

第6章　水下航行器的切换监控127

6.1　引言127

6.2　多模切换监控模型128

6.3　EBSC法132

6.3.1　EBSC的一种实现方法133

6.4　HSSC方法134

6.4.1　切换策略135

6.5　稳定性分析136

6.5.1　基于估计的监控方法136

6.5.2　分层切换监控137

6.6　ROV模型138

6.6.1　线性化模型140

6.7　数值仿真结果141

6.8　结论147

参考文献148

第7章　Hammerhead自主式水下航行器的导航、制导与控制152

7.1　引言152

7.2　Hammerhead AUV的导航系统154

7.2.1　模糊卡尔曼滤波器155

7.2.2　模糊逻辑观测器156

7.2.3　模糊隶属函数的优化157

7.2.4　运行结果158

7.2.5　GPS/INS导航163

7.3　系统建模174

7.3.1　识别结果175

7.4　制导177

7.5　Hammerhead的自动驾驶仪设计178

7.5.1　LQG/LTR控制器设计178

7.5.2　模型预测控制181

7.6　结束语187

参考文献187

第8章 自主式水下航行器的鲁棒控制器及其在系缆航行器上的验证191

8.1 引言191

8.2　鱼雷形自主式水下航行器的鲁棒自动驾驶仪设计193

8.2.1　Subzero Ⅲ动力学分析193

8.2.2　控制系统设计建模196

8.2.3　降阶的自动驾驶仪设计197

8.3 Subzero Ⅲ的系缆补偿201

8.3.1　组合控制方案201

8.3.2　系缆效应的估计202

8.3.3　系缆效应的抵消211

8.3.4　组合控制的非线性仿真验证213

8.4　鲁棒型自动驾驶仪的外场试验验证215

8.5　结论218

致谢218

参考文献219

第9章　遥控航行器（ROV）的低成本高精度运动控制221

9.1　引言221

9.2　相关研究223

9.2.1　建模与辨识223

9.2.2　制导与控制224

9.2.3　传感技术225

9.3　Romeo ROV的结构设计227

9.4　制导和控制229

9.4.1　速度控制（动力学）230

9.4.2　制导（目标运动学）231

9.5　基于视觉的运动估计232

9.5.1　视觉系统设计233

9.5.2　三维激光三角测量传感器235

9.5.3　模板检测和跟踪237

9.5.4　标记的运动238

9.5.5　俯仰和横滚扰动的抑制238

9.6　试验结果239

9.7　结论249

致谢249

参考文献250

第10章　干预型AUV的自主操纵255

10.1 引言255

10.2　水下操纵装置256

10.3　控制系统259

10.3.1　运动控制259

10.3.2　运动学、反向运动学和冗余解决方案262

10.3.3　运动速率控制的求解262

10.3.4　操纵性的测度264

10.3.5　单任务的奇异点回避264

10.3.6　基于任务优先级的逆运动学扩展267

10.3.7　实例270

10.3.8　碰撞和关节限制规避271

10.4　航行器通信和用户接口273

10.5　应用实例274

10.6　结论277

致谢278

参考文献278

第11章　AUV“r2D4”的开发和AUV发展路线图280

11.1 引言280

11.2 AUV“r2D4”及它在罗塔岛水下火山的第十六次下潜281

11.2.1　R-2项目281

11.2.2　AUV“r2D4”283

11.2.3　罗塔岛水下火山下潜287

11.3 AUV研究和开发的展望293

11.3.1 AUV的多样性294

11.3.2 AUV研发路线图295

11.4　致谢297

参考文献297

第12章 仿生式自主水下航行器（BAUV）的制导和控制299

12.1　引言299

12.2　动力学模型302

12.2.1　刚体动力学模型302

12.2.2　水动力学模型308

12.3 BAUV的制导和控制312

12.3.1 BAUV的制导312

12.3.2　控制器设计313

12.3.3　试验结果317

12.4　结论321

致谢322

参考文献322

第13章　基于混合照明的海底导航324

13.1　引言324

13.2　传感器配置326

13.3　理论基础327

13.3.1　用于测量深度和海床剖面反射的激光条纹329

13.3.2　基于区域的跟踪器330

13.4　约束运动试验331

13.4.1　激光高度计的模式332

13.4.2　激光测高过程的动态性能333

13.4.3　基于区域跟踪系统的动态性能335

13.4.4　动态成像性能337

13.5　小结340

13.6　致谢340

参考文献341

第14章　水下机器人测量的时空3D数据实时可视化技术进展342

14.1 引言342

14.1.1 海量海洋水文传感器数据实时时空显示的需求343

14.2　系统设计和实现344

14.2.1　导航344

14.2.2　GeoZui3D的实时时空数据显示345

14.2.3　导航数据和科考用传感器数据的实时融合347

14.3　地中海科考数据的回放351

14.4　JHU ROV实时系统与激光扫描的比较352

14.4.1　实时试验系统的建立352

14.4.2　激光扫描试验系统的建立354

14.4.3　实时系统试验结果355

14.4.4　激光扫描试验结果355

14.4.5　激光扫描与实时系统的比较355

14.5 Jason 2 ROV的初步外场试验358

14.6　结论和展望360

致谢361

参考文献361

第15章　无人海面航行器（USV）-海战的博弈应变技术364

15.1　引言364

15.2　USV的研究和开发365

15.3　USV主要子系统概述367

15.3.1　主要系统组成367

15.3.2　USV的主要子系统368

15.3.3　壳体368

15.3.4 辅助结构370

15.3.5　发动机、推进子系统与燃料系统370

15.3.6　USV的自主性、任务规划、导航、制导与控制371

15.4　USV载荷系统373

15.5 USV的发射和回收系统373

15.6 USV开发举例：MIMIR,SWIMS和FENRIR374

15.6.1 MIMIR USV系统374

15.6.2 SWIMS USV系统376

15.6.3 FENRIR USV系统和变化的作战背景381

15.7 USV的博弈应变能力383

参考文献384

第16章　用于海洋调查的MESSIN自主式海面航行器Measuring Dolphin的建模、仿真与控制385

16.1　引言385

16.2 MESSIN的流体力学方案387

16.3 MESSIN电气设备的开发389

16.4　分层操纵系统和全局操纵体系390

16.5　定位和导航393

16.6　建模和辨识395

16.6.1　二阶航向模型396

16.6.2　四阶跟踪模型396

16.7　航路规划、任务控制与自动控制400

16.8　执行与仿真404

16.9　实验结果与应用406

参考文献409

第17章　单个及多个自主海洋机器人的载体和任务控制413

17.1 引言413

17.2 海上航行器414

17.2.1 Infante AUV414

17.2.2 Delfim ASC415

17.2.3 Sirene水下运载器416

17.2.4 Caravela 2000自主研究船418

17.3　航行器控制419

17.3.1　控制问题：激励419

17.3.2　控制问题：设计技术423

17.4　海上任务控制和执行440

17.4.1 CORAL任务控制系统440

17.4.2　海上任务444

17.5　结论445

致谢446

参考文献446

第18章　穿浪式自主航行器452

18.1　引言452

18.1.1　缩略语和定义452

18.1.2　概念453

18.1.3　历史发展454

18.2　穿浪式自主水下航行器456

18.2.1　机器人猎雷概念457

18.2.2　早期试验459

18.2.3　美国海军的遥控猎雷工作样机460

18.2.4　加拿大“剑鱼”和法国“海洋卫士”的进展461

18.3　穿浪式水面自主航行器464

18.3.1　开发项目466

18.3.2　指挥和控制468

18.3.3　发射和回收470

18.3.4　应用470

18.4　子航行器471

18.4.1　应用472

18.5　机动浮标474

18.5.1　应用474

18.6　无人穿浪航行器的发展前景475

第19章　水下滑翔机的动力学、控制和协调476

19.1　引言476

19.2　水下滑翔机的数学模型478

19.3　滑翔机的稳定性和控制482

19.3.1　线性分析482

19.3.2　长周期振动模型486

19.4 Slocum滑翔机模型488

19.4.1 Slocum滑翔机489

19.4.2　滑翔机模型辨识492

19.5　滑翔机的协同控制和运行499

19.5.1　基于虚拟机体和人工势的多滑翔机协同499

19.5.2 VBAP滑翔机的实现问题500

19.5.3 AOSNⅡ的海试501

19.6　后记505

参考文献507

术语对照表509