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 UUV 93
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Ω 108
5.3.2 可达指令集Ф 110
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FENRIR 374
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 AUV 414
17.2.2 Delfim ASC 415
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