深远海工程装备与高技术丛书自主水下航行器导航与控制技术

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