控制技术是制约水下无人航行器能否成功应用的关键技术之一，也是自动远程航海和自主执行任务的基础和保障。本书是团队近20年科研实践的总结，结合水动力学、空间运动学等建立了航行器载体数字运动模型，研究了水下无人航行器的作业类型、工作流程以及自主作业的控制需求，开展了水下无人航行器的数据处理与信息融合、决策评估与动态规划、空间运动控制等适用方法，最后结合科研实践阐述了水下无人航行器的试验及测试方法，并给出了
实际案例。本书可供从事水下无人航行器控制方法和技术研究的科研工作者使用，也适合高校自动化、智能控制等方向的学生参考。
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第1章 绪论 141.1 航行器的定义及分类 15
1.2 航行器的系统组成 16
1.3 航行器发展 171.3.1 国外发展状况 17
1.3.2 国内发展状况 20
1.4 航行器控制技术的发展历程 211.4.1 国外研究状况 21
1.4.2 国内研究状况 25
参考文献 29
第2章 航行器控制系统的约束 342.1 航行器控制系统的基本组成 34
2.2 感知系统的约束 352.2.1 感知系统的基本结构 35
2.2.2 环境感知系统模型 36
2.3 碍航物的约束 392.3.1 障碍物建模与分析 39
2.3.2 障碍物运动检测 45
2.4 执行机构的约束 462.4.1 螺旋桨推进装置 47
2.4.2 舵装置 48
2.4.3 均衡装置 49
2.4.4 矢量复合推进装置 50
2.4.5 新型推进装置 52
2.5 海流干扰的约束 532.5.1 海流影响分析 54
2.5.2 无漩涡海流 54
2.5.3 漩涡海流 55
2.6 近水面海浪干扰的约束 582.6.1 长峰波随机海浪 58
2.6.2 波浪力和力矩 60
2.7 非结构化不确定性扰动 61
2.8 模型不确定性扰动 61
参考文献 61
第3章 航行器控制系统的体系结构 633.1 控制系统的体系结构 633.1.1 体系结构概述 63
3.1.2 体系结构设计原则 63
3.2 控制系统体系结构的分类 643.2.1 分层递阶体系结构 64
3.2.2 基于行为的体系结构 66
3.2.3 混合式体系结构 68
3.3 控制系统体系结构实例 693.3.1 航行器控制系统硬件结构 69
3.3.2 航行器控制系统软件结构 71
3.4 行为仲裁的分层递阶控制体系结构 733.4.1 基于行为仲裁的航行器控制过程中的定义 73
3.4.2 具有行为仲裁的航行器体系结构描述 75
参考文献 79
第4章 航行器控制器前级技术 814.1 控制系统的观测器 814.1.1 可观性 81
4.1.2 Luenberger观测器 81
4.1.3 非线性无源观测器 82
4.2 控制系统的滤波器 834.2.1 低通滤波器 83
4.2.2 Notch滤波器 84
4.2.3 离散系统卡尔曼滤波器 84
4.2.4 连续系统卡尔曼滤波器 85
4.2.5 扩展卡尔曼滤波器 85
4.3 控制系统预测技术 864.3.1 对动态障碍物的预测 86
4.3.2 航行器运动位置的预报 88
4.3.3 行为预测 95
4.4 航行器数据融合技术 964.4.1 多源信息融合 96
4.4.2 行为融合 105
4.4.3 态势融合 106
参考文献 108
第5章 航行器任务自主控制技术 1105.1 自主控制与决策的概念 1105.1.1 基本概念及特性 110
5.1.2 自主控制的分级 110
5.2 任务规划与任务控制 1115.2.1 任务分解及重规划 111
5.2.2 任务规划与任务控制概述 111
5.2.3 任务规划与任务控制设计实例——基于分层递阶Petri网的任务控制 112
5.3 路径规划 1225.3.1 路径规划概述 122
5.3.2 路径规划相关问题 122
5.3.3 航行器路径规划的实例 126
5.4 自主学习与自主决策 1325.4.1 自主学习与自主控制技术概述 132
5.4.2 环境感知方法 134
5.4.3 数据融合 141
5.4.4 自主学习方法 142
5.4.5 自主决策方法 148
5.5 故障诊断 1585.5.1 故障诊断的概述及分类 158
5.5.2 故障诊断的流程 159
5.5.3 航行器故障诊断的方法 159
5.5.4 故障诊断的实例——基于灰色动态预测的航行器传感器故障诊断 161
参考文献 164
第6章 航行器的运动控制技术 1666.1 航行器的运动模型及控制特性 1666.1.1 航行器的运动模型 167
6.1.2 航行器的动力学模型 170
6.1.3 航行器的6-DOF空间运动方程 175
6.1.4 航行器的特性分析 177
6.2 航行器路径跟踪控制 1916.2.1 航行器水平面路径跟踪 192
6.2.2 基于自适应PID的空间路径跟踪控制 192
6.2.3 基于迭代滑模的空间路径跟踪控制 196
6.3 航行器轨迹跟踪控制 2036.3.1 航行器水平面轨迹跟踪 204
6.3.2 航行器三维轨迹跟踪 214
参考文献 222
第7章 航行器编队控制技术 2257.1 航行器编队的体系结构 2257.1.1 常见的群体体系结构 226
7.1.2 航行器编队系统的体系结构 228
7.2 航行器编队控制技术 2307.2.1 基于改进人工势场的编队控制 230
7.2.2 基于图论的编队控制 238
7.3 路径跟随条件下的航行器编队控制 2427.3.1 直线路径跟踪下多航行器的协调编队控制 242
7.3.2 曲线路径跟踪下多航行器的协调编队控制 251
7.3.3 通信约束下多航行器的协调路径跟踪控制 260
参考文献 266
第8章 航行器控制测试与验证技术 2688.1 仿真控制效果评价技术 268
8.2 航行器控制虚拟仿真技术 2708.2.1 仿真硬件系统构建 270
8.2.2 仿真软件系统的设计 271
8.3 航行器HILS控制技术 2768.3.1 航行器HILS特点 277
8.3.2 航行器HILS需求 277
8.3.3 航行器HILS控制系统的组成及功能 278
8.4 航行器内场测试技术 2808.4.1 内场水池测试 281
8.4.2 小范围动态测试 282
8.5 航行器外场测试技术 2848.5.1 外场跟踪技术 284
8.5.2 外场测试与验证技术 286
参考文献 290
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