近年來，隨著技術的提升以及戰(zhàn)略發(fā)展的需要，世界各國對資源的開發(fā)利用逐漸向著陸地以外更廣闊的海洋拓展。作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ念I域，海洋探索正在被越來越多的國家納入重點發(fā)展規(guī)劃，發(fā)展海洋技術在國家發(fā)展中有十分現(xiàn)實而深遠的意義。所謂“工欲善其事，必先利其器”，自主水下航行器作為海洋工程裝備的重要工具，越來越受到各行各業(yè)的關注，肩負著義不容辭的責任。 20世紀60年代，人們開始著手自主水下航行器的研究，歷經(jīng)了近60年的技術發(fā)展，隨著新科技、新思想的不斷深入，水下航行器已經(jīng)成為一個龐大的研究領域，無人水下航行器的相關研究也成為必不可少的一環(huán)，并在海洋研究、生態(tài)監(jiān)測、軍事偵察等領域有著重要而廣泛的應用。
目前我國將無人水下航行器作為海洋技術和裝備發(fā)展的一個重要方向。中國科學院沈陽自動化研究所聯(lián)合中國科學院聲學研究所、哈爾濱工程大學自主研發(fā)、研制的服務于6000m深海資源勘查的實用化深海裝備“潛龍一號”，在南海進行了首次海上試驗，總體達到海試目的，這標志著中國深海資源勘查裝備實用化改造領域?qū)崿F(xiàn)重要進步，將為深海資源勘查提供保障。西北工業(yè)大學自主研發(fā)的50kg級水下無人自主航行器通過了國家科技部組織的驗收和海上試驗，這標志著我國在微小型水下航行器領域突破核心技術，擁有完全自主知識產(chǎn)權，填補了國內(nèi)空白，在國防和海洋研究領域發(fā)揮了重要作用。
應“深遠海工程裝備與高技術叢書”編委會的邀請，我們編寫了本專著，重點介紹自主水下航行器導航與控制技術。
本書由張立川、潘光、劉增武主編，由劉祿、任染臻、李逸琛、原逸杰、蘇晗、王永召、屈俊琪、武東偉、邢潤發(fā)、柏書昌、代文帥、唐鑫鑫、趙蕎蕎、白春梅編寫。本書的出版也得到了西北工業(yè)大學出版基金的資助，在此表示衷心感謝。
盡管努力想寫出一本好書，但是由于水平有限，書中肯定存在不足之處，懇請讀者提出寶貴意見。
作者
2020年8月
第1章自主水下航行器概述1
1．1自主水下航行器概念、分類與特點3
1．2自主水下航行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀5
1．2．1單一自主水下航行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀5
1．2．2多自主水下航行器的國外發(fā)展現(xiàn)狀8
1．3自主水下航行器發(fā)展趨勢11
1．4自主水下航行器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀11
1．4．1單一自主水下航行器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀11
1．4．2多自主水下航行器的國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀12
參考文獻13
第2章自主水下航行器導航技術15
2．1地球?qū)Ш侥Ｐ?7
2．1．1地形匹配導航17
2．1．2海洋地磁導航18
2．1．3重力導航18
2．2組合導航19
2．2．1慣性自主導航算法19
2．2．2捷聯(lián)慣導系統(tǒng)/多普勒測速儀自主組合導航23
2．2．3航位推算/深度傳感器組合26
2．2．4水面狀態(tài)有源校準信息融合及容錯技術27
2．2．5動基座初始對準技術34
2．2．6捷聯(lián)羅經(jīng)動基座初始對準與導航39
2．3聲學導航算法42
2．3．1長基線定位原理及導航應用分析42
2．3．2超短基線系統(tǒng)導航基本原理45
參考文獻46
第3章自主水下航行器控制技術49
3．1自主水下航行器數(shù)學建模51
3．1．1數(shù)學坐標系51
3．1．2動力學模型56
3．1．3運動學模型57
3．2深度控制58
3．3航向控制59
3．4矢量運動控制60
參考文獻61
第4章水下航行器導航與控制仿真技術63
4．1常用仿真工具和仿真平臺65
4．1．1CATIA65
4．1．2ANSYS66
4．1．3OpenGL66
4．1．4Multisim67
4．1．5MATLAB/Simulink67
4．2導航與控制一體化模型68
4．3Simulink模型搭建70
4．3．1坐標系和運動參數(shù)70
4．3．2Simulink模型結(jié)構(gòu)71
4．3．3仿真分析73
參考文獻74
第5章自主水下航行器協(xié)同導航技術75
5．1協(xié)同導航77
5．1．1協(xié)同的概念77
5．1．2協(xié)同導航機理79
5．1．3協(xié)同導航系統(tǒng)的感知傳感器80
5．2協(xié)同導航模型82
5．2．1導航概述82
5．2．2自主水下航行器協(xié)同導航運動學模型82
5．2．3自主水下水聲測量模型83
5．3常規(guī)組網(wǎng)自主水下航行器協(xié)同導航方法85
5．3．1基于幾何學的協(xié)同導航85
5．3．2基于概率學的協(xié)同導航87
5．4協(xié)同導航系統(tǒng)可觀測性分析 90
5．4．1協(xié)同導航系統(tǒng)介紹90
5．4．2系統(tǒng)導航系統(tǒng)可觀測性分析91
5．5濾波理論93
5．5．1卡爾曼濾波算法93
5．5．2擴展卡爾曼濾波94
5．5．3無跡卡爾曼濾波96
5．5．4粒子濾波理論98
參考文獻101
第6章基于信息熵的協(xié)同導航算法研究103
6．1信息熵的計算和應用105
6．1．1信息熵的概念105
6．1．2信息熵的計算106
6．2信息熵在自主水下航行器協(xié)同導航中的應用107
6．2．1性能函數(shù)的理論分析108
6．2．2性能函數(shù)的仿真分析109
6．3基于信息熵的協(xié)同導航算法流程112
6．3．1信息熵在EKF中的協(xié)同導航算法流程112
6．3．2信息熵在UKF中的協(xié)同導航算法流程112
6．3．3信息熵在UPF中的協(xié)同導航算法流程113
參考文獻113
第7章滾動時域估計的多自主水下航行器協(xié)同定位算法研究115
7．1滾動時域估計的基本原理117
7．2卡爾曼濾波與滾動時域估計之間的關系120
7．3到達代價的計算123
7．4數(shù)值實例分析125
7．5滾動時域估計的多自主水下航行器協(xié)同定位算法126
7．5．1基于EKF的滾動時域估計協(xié)同定位算法126
7．5．2基于UKF的滾動時域估計協(xié)同定位算法129
7．6協(xié)同定位算法計算復雜度132
7．6．1計算復雜度分析132
7．6．2時域窗口長度的選擇133
7．6．3系數(shù)矩陣的特殊結(jié)構(gòu)134
參考文獻139
第8章自主水下航行器圖像伺服跟蹤控制技術141
8．1攝像機模型與標定143
8．1．1攝像機模型143
8．1．2攝像機標定145
8．2單目視覺識別148
8．2．1圖像濾波149
8．2．2圖像數(shù)學形態(tài)學處理150
8．2．3模板匹配151
8．3單目視覺測距153
8．3．1測距方法對比153
8．3．2單目測距方法153
8．4基于視覺伺服的自主水下航行器對接實驗155
8．4．1坐標系定義155
8．4．2坐標系變換157
8．4．3水下航行器模型158
8．4．4遠距離光源引導運動161
8．5平臺功能實驗161
8．5．1定深實驗161
8．5．2定向?qū)嶒?62
8．5．3遠距離光源引導實驗163
8．5．4自重構(gòu)實驗164
參考文獻166
第9章基于視覺的自主水下航行器協(xié)同運動技術167
9．1基于矩形目標約束的水下視覺位姿估計方法169
9．1．1水下光信標陣列識別算法169
9．1．2基于光信標陣列的位姿估計176
9．1．3基于AR Marker的位姿估計方法179
9．2基于全驅(qū)動自主水下航行器模型的協(xié)同運動控制器設計與仿真182
9．2．1多自主水下航行器系統(tǒng)協(xié)同運動數(shù)學模型182
9．2．2協(xié)同運動控制器的設計184
9．2．3控制輸入的求解185
9．2．4協(xié)同運動模型及控制器仿真192
9．3基于有限狀態(tài)機模型的多自主水下航行器協(xié)同策略198
9．3．1自主水下航行器的運動控制算法199
9．3．2多自主水下航行器系統(tǒng)協(xié)同運動策略200
9．3．3基于有限狀態(tài)機的協(xié)同策略實現(xiàn)201
參考文獻205
第10章多自主水下航行器協(xié)同運動水池試驗207
10．1試驗自主水下航行器平臺介紹209
10．2視覺位姿估計試驗213
10．3自主水下航行器操縱性能試驗225
10．4多自主水下航行器協(xié)同運動試驗228
參考文獻233
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