自主水下航行器导航与控制技术(深远海工程装备与高技术丛书)

近年来，随着技术的提升以及战略发展的需要，世界各国对资源的开发利用逐渐向着陆地以外更广阔的海洋拓展。作为二十一世纪*发展潜力的领域，海洋探索正在被越来越多的国家纳入重点发展规划。因此，发展海洋技术在国家发展中有十分现实而深远的意义。 自主水下航行器作为海洋工程装备的重要工具，越来越受到各行各业的关注，在海洋研究、生态监测、军事侦察等领域有着重要而广泛的应用。
本书作者长期从事自主水下航行器的设计开发，结合工程实践经验编写本书，力图通过本书将自主水下航行器导航与控制技术包括水下航行器数学建模、水下自主导航技术、水下航行器控制方法、水下航行器导航与控制仿真等相关知识，反应当前技术水平的发展。

本书共分10章。第1章对自主水下航行器介绍；第2章介绍自主水下航行器导航技术；第3章介绍自主水下航行器控制技术；第4章介绍水下航行器导航与控制仿真技术；第5章介绍自主水下航行器协同导航技术；第6章介绍于信息熵的协同导航算法；第7章介绍滚动时域估计的多AUV协同定位算法；第8章介绍自主水下航行器图像伺服跟踪控制技术；第9章介绍 基于视觉的AUV协同运动技术；第10章介绍多AUV协同运动水池试验，并结合西北工业大学张立川团队研发的三条雷体AUV进行水池试验。

张立川：西北工业大学航海学院兵器科学与技术博士，悉尼大学博士后，副教授，水下无人运载技术工信部重点实验室副主任。

潘光：西北工业大学航海学院院长，长江学者。入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，陕西省青年科技奖获得者，科学中国人2011年度人物，现任高速水洞实验室主任，水下航行器研究所副所长，教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队和国防科工委“国防科技创新团队”骨干成员。近年主持国家自然科学基金、军口863计划、国防基础研究、总装预研等项目20余项，作为核心成员承担总装型号等项目10项，先后担任两型总装重点型号的总体系统主任设计师和总师助理。

刘增武：大连测控技术研究所副总工程师，研究员，中国海洋学会军事海洋专业委员会常务理事。

第1章自主水下航行器概述1
1．1自主水下航行器概念、分类与特点3
1．2自主水下航行器的国外发展现状5
1．2．1单一自主水下航行器的国外发展现状5
1．2．2多自主水下航行器的国外发展现状8
1．3自主水下航行器发展趋势11
1．4自主水下航行器的国内发展现状11
1．4．1单一自主水下航行器的国内发展现状11
1．4．2多自主水下航行器的国内发展现状12
参考文献13

第2章自主水下航行器导航技术15
2．1地球导航模型17
2．1．1地形匹配导航17
2．1．2海洋地磁导航18
2．1．3重力导航18
2．2组合导航19
2．2．1惯性自主导航算法19
2．2．2捷联惯导系统/多普勒测速仪自主组合导航23
2．2．3航位推算/深度传感器组合26
2．2．4水面状态有源校准信息融合及容错技术27
2．2．5动基座初始对准技术34
2．2．6捷联罗经动基座初始对准与导航39
2．3声学导航算法42
2．3．1长基线定位原理及导航应用分析42
2．3．2超短基线系统导航基本原理45
参考文献46

第3章自主水下航行器控制技术49
3．1自主水下航行器数学建模51
3．1．1数学坐标系51
3．1．2动力学模型56
3．1．3运动学模型57
3．2深度控制58
3．3航向控制59
3．4矢量运动控制60
参考文献61

第4章水下航行器导航与控制仿真技术63
4．1常用仿真工具和仿真平台65
4．1．1CATIA65
4．1．2ANSYS66
4．1．3OpenGL66
4．1．4Multisim67
4．1．5MATLAB/Simulink67
4．2导航与控制一体化模型68
4．3Simulink模型搭建70
4．3．1坐标系和运动参数70
4．3．2Simulink模型结构71
4．3．3仿真分析73
参考文献74

第5章自主水下航行器协同导航技术75
5．1协同导航77
5．1．1协同的概念77
5．1．2协同导航机理79
5．1．3协同导航系统的感知传感器80
5．2协同导航模型82
5．2．1导航概述82
5．2．2自主水下航行器协同导航运动学模型82
5．2．3自主水下水声测量模型83
5．3常规组网自主水下航行器协同导航方法85
5．3．1基于几何学的协同导航85
5．3．2基于概率学的协同导航87
5．4协同导航系统可观测性分析 90
5．4．1协同导航系统介绍90
5．4．2系统导航系统可观测性分析91
5．5滤波理论93
5．5．1卡尔曼滤波算法93
5．5．2扩展卡尔曼滤波94
5．5．3无迹卡尔曼滤波96
5．5．4粒子滤波理论98
参考文献101

第6章基于信息熵的协同导航算法研究103
6．1信息熵的计算和应用105
6．1．1信息熵的概念105
6．1．2信息熵的计算106
6．2信息熵在自主水下航行器协同导航中的应用107
6．2．1性能函数的理论分析108
6．2．2性能函数的仿真分析109
6．3基于信息熵的协同导航算法流程112
6．3．1信息熵在EKF中的协同导航算法流程112
6．3．2信息熵在UKF中的协同导航算法流程112
6．3．3信息熵在UPF中的协同导航算法流程113
参考文献113

第7章滚动时域估计的多自主水下航行器协同定位算法研究115
7．1滚动时域估计的基本原理117
7．2卡尔曼滤波与滚动时域估计之间的关系120
7．3到达代价的计算123
7．4数值实例分析125
7．5滚动时域估计的多自主水下航行器协同定位算法126
7．5．1基于EKF的滚动时域估计协同定位算法126
7．5．2基于UKF的滚动时域估计协同定位算法129
7．6协同定位算法计算复杂度132
7．6．1计算复杂度分析132
7．6．2时域窗口长度的选择133
7．6．3系数矩阵的特殊结构134
参考文献139

第8章自主水下航行器图像伺服跟踪控制技术141
8．1摄像机模型与标定143
8．1．1摄像机模型143
8．1．2摄像机标定145
8．2单目视觉识别148
8．2．1图像滤波149
8．2．2图像数学形态学处理150
8．2．3模板匹配151
8．3单目视觉测距153
8．3．1测距方法对比153
8．3．2单目测距方法153
8．4基于视觉伺服的自主水下航行器对接实验155
8．4．1坐标系定义155
8．4．2坐标系变换157
8．4．3水下航行器模型158
8．4．4远距离光源引导运动161
8．5平台功能实验161
8．5．1定深实验161
8．5．2定向实验162
8．5．3远距离光源引导实验163
8．5．4自重构实验164
参考文献166

第9章基于视觉的自主水下航行器协同运动技术167
9．1基于矩形目标约束的水下视觉位姿估计方法169
9．1．1水下光信标阵列识别算法169
9．1．2基于光信标阵列的位姿估计176
9．1．3基于AR Marker的位姿估计方法179
9．2基于全驱动自主水下航行器模型的协同运动控制器设计与仿真182
9．2．1多自主水下航行器系统协同运动数学模型182
9．2．2协同运动控制器的设计184
9．2．3控制输入的求解185
9．2．4协同运动模型及控制器仿真192
9．3基于有限状态机模型的多自主水下航行器协同策略198
9．3．1自主水下航行器的运动控制算法199
9．3．2多自主水下航行器系统协同运动策略200
9．3．3基于有限状态机的协同策略实现201
参考文献205

第10章多自主水下航行器协同运动水池试验207
10．1试验自主水下航行器平台介绍209
10．2视觉位姿估计试验213
10．3自主水下航行器操纵性能试验225
10．4多自主水下航行器协同运动试验228
参考文献233

近年来，随着技术的提升以及战略发展的需要，世界各国对资源的开发利用逐渐向着陆地以外更广阔的海洋拓展。作为21世纪最具发展潜力的领域，海洋探索正在被越来越多的国家纳入重点发展规划，发展海洋技术在国家发展中有十分现实而深远的意义。所谓“工欲善其事，必先利其器”，自主水下航行器作为海洋工程装备的重要工具，越来越受到各行各业的关注，肩负着义不容辞的责任。 20世纪60年代，人们开始着手自主水下航行器的研究，历经了近60年的技术发展，随着新科技、新思想的不断深入，水下航行器已经成为一个庞大的研究领域，无人水下航行器的相关研究也成为必不可少的一环，并在海洋研究、生态监测、军事侦察等领域有着重要而广泛的应用。
目前我国将无人水下航行器作为海洋技术和装备发展的一个重要方向。中国科学院沈阳自动化研究所联合中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学自主研发、研制的服务于6000m深海资源勘查的实用化深海装备“潜龙一号”，在南海进行了首次海上试验，总体达到海试目的，这标志着中国深海资源勘查装备实用化改造领域实现重要进步，将为深海资源勘查提供保障。西北工业大学自主研发的50kg级水下无人自主航行器通过了国家科技部组织的验收和海上试验，这标志着我国在微小型水下航行器领域突破核心技术，拥有完全自主知识产权，填补了国内空白，在国防和海洋研究领域发挥了重要作用。
应“深远海工程装备与高技术丛书”编委会的邀请，我们编写了本专著，重点介绍自主水下航行器导航与控制技术。
本书由张立川、潘光、刘增武主编，由刘禄、任染臻、李逸琛、原逸杰、苏晗、王永召、屈俊琪、武东伟、邢润发、柏书昌、代文帅、唐鑫鑫、赵荞荞、白春梅编写。本书的出版也得到了西北工业大学出版基金的资助，在此表示衷心感谢。
尽管努力想写出一本好书，但是由于水平有限，书中肯定存在不足之处，恳请读者提出宝贵意见。

作者
2020年8月