本书主要介绍了无人艇运动控制技术的各个方面，包括体系结构与运动控制系统、运动测量传感器、运动建模与参数辨识、运动控制理论与方法、路径规划与自主避让、协同编队控制理论及实验等内容。首先，本书对无人艇的功能需求与系统架构进行了详细分析，阐述了无人艇的物理结构和逻辑结构，并介绍了无人艇运动控制系统的组成及各部分之间的关系。其次，本书对常用的运动测量传感器进行了深入讲解，包括旋转变压器、光电传感器、脉冲编码器等，并分析了这些传感器在无人艇运动控制中的应用。再次，本书介绍了水面无人艇的运动建模与参数辨识，包括水动力模型和响应模型的建立，以及参数辨识算法的应用。同时，对无人艇的运动控制理论与方法进行了详细阐述，包括传统控制理论与方法、智能控制理论与方法、运动参数控制等方面。最后，本书介绍了无人艇路径规划与自主避让，以及多无人艇协同编队控制理论及实验，通过实验验证了多无人艇协同编队控制算法的有效性和稳定性。本书内容全面，理论与实践相结合，旨在让读者系统地了解和掌握无人艇运动控制系统的数学分析和设计方法，培养理论联系实际的工程实践能力。

刘星，博士，副教授，海军士官学校航海系主任。主持参与省级及以上课题近10项；获得省级以上奖8项，发表论文10篇，授权发明专利6项。

第1章 绪论 1
1.1 运动的基本概念 1
1.2 运动控制系统的组成 2
1.3 运动控制系统的分类与特点 4
1.4 运动控制系统的功能 9
1.5 本章小结 10
第2章 无人艇的体系结构与运动控制系统 11
2.1 无人艇的功能需求与系统架构 11
2.1.1 功能需求分析 11
2.1.2 系统架构的设计原则 12
2.2 无人艇的物理结构 13
2.2.1 无人艇子系统的物理结构 13
2.2.2 岸基监控子系统的物理结构 16
2.3 无人艇的逻辑结构 17
2.3.1 指挥与控制子系统 18
2.3.2 导航避碰子系统 18
2.3.3 环境信息采集子系统 18
2.3.4 通信子系统 19
2.3.5 航行控制子系统 19
2.3.6 能源管理子系统 19
2.3.7 负载平台子系统 19
2.4 运动控制系统 20
2.4.1 岸基监控子系统 21
2.4.2 无人艇子系统 21
2.4.3 通信系统 22
2.4.4 系统工作流程 22
2.5 典型的体系结构 23
2.5.1 分层递阶式体系结构 23
2.5.2 反应式（包容式）体系结构 24
2.5.3 混合式体系结构 25
2.6 系统软件 26
2.6.1 岸基软件模块 26
2.6.2 无人艇控制程序 26
2.7 本章小结 27
第3章 运动测量传感器 28
3.1 测量系统的基本组成 28
3.2 常用的运动测量传感器 30
3.2.1 旋转变压器 30
3.2.2 光电传感器 31
3.2.3 脉冲编码器 32
3.2.4 感应同步器 34
3.3 运动的避障感知 37
3.3.1 红外测距传感器 37
3.3.2 超声波传感器 37
3.3.3 激光传感器 39
3.3.4 图像传感器 41
3.4 全局运动检测 41
3.4.1 GPS全球定位系统 41
3.4.2 陀螺仪 45
3.4.3 电子罗盘 46
3.5 本章小结 49
第4章 水面无人艇的运动建模与参数辨识 50
4.1 运动建模基础 50
4.1.1 运动学基本假设 50
4.1.2 坐标系统及相关参数 50
4.1.3 不同坐标系下的运动关系 51
4.1.4 船舶运动建模的主要方法 52
4.2 六自由度运动模型 53
4.2.1 六自由度运动方程 53
4.2.2 操纵运动方程的建立 54
4.3 运动受力分析 55
4.3.1 主机与舵机模型 55
4.3.2 螺旋桨推力和力矩模型 56
4.3.3 舵力和力矩模型 59
4.4 环境干扰力模型 63
4.4.1 风干扰力 63
4.4.2 波浪干扰力 67
4.4.3 流干扰力 68
4.5 操纵运动响应模型 69
4.5.1 操纵运动响应方程 69
4.5.2 操纵性指数及其意义 72
4.5.3 K、T指数无因次化及影响K＇、T＇?指数的因素 72
4.6 参数辨识方法 73
4.6.1 最小二乘参数辨识算法 73
4.6.2 卡尔曼滤波参数辨识算法 74
4.7 模型验证与应用 76
4.7.1 水面无人艇的操纵运动 76
4.7.2 参数辨识及模型验证 79
4.8 本章小结 80
第5章 水面无人艇的运动控制理论与方法 81
5.1 传统控制理论与方法 81
5.1.1 PID控制与改进PID控制 81
5.1.2 Lyapunonv稳定性原理 84
5.1.3 滑模（变结构）控制 86
5.1.4 Backstepping 控制原理 90
5.1.5 自抗扰控制 92
5.1.6 自适应控制 95
5.1.7 内模控制 97
5.2 智能控制理论与方法 100
5.2.1 专家系统控制 100
5.2.2 模糊控制 101
5.2.3 人工神经网络控制 103
5.3 水面无人艇的运动参数控制 104
5.3.1 航向控制 104
5.3.2 航迹控制 106
5.3.3 航速控制 107
5.4 水面无人艇控制系统 108
5.4.1 递阶控制原理 108
5.4.2 无人艇控制系统的分层递阶结构 108
5.4.3 无人艇自动航行系统的分层递阶结构 110
5.4.4 通用控制节点设计 111
5.5 本章小结 114
第6章 无人艇路径规划与自主避让 115
6.1 路径规划方法 115
6.1.1 路径规划问题分析 115
6.1.2 全局路径规划方法 116
6.1.3 局部路径规划方法 121
6.2 基于人工势场法的无人艇局部路径规划 121
6.2.1 无人艇局部路径规划的研究概述 122
6.2.2 人工势场法避障分析 122
6.2.3 传统人工势场法的缺陷 125
6.2.4 传统人工势场法仿真静态障碍物避障验证 126
6.3 基于动态窗口法的无人艇局部路径规划 129
6.3.1 概述 129
6.3.2 动态窗口法避障分析 129
6.3.3 动态窗口法仿真动态障碍物避障验证 131
6.4 基于视线导引的无人艇全局路径规划 133
6.4.1 概述 133
6.4.2 直线段视线导引法 134
6.4.3 圆弧视线导引法 135
6.4.4 导引系统仿真验证 136
6.5 本章小结 138
第7章 多无人艇协同编队控制理论及实验 139
7.1 多智能体系统协同预测控制 139
7.1.1 领航?跟随无人艇编队队形变换问题的描述及总体思路 139
7.1.2 领航?跟随无人艇编队队形重构变换控制 141
7.1.3 仿真验证 144
7.2 无人艇分布式围捕编队控制 147
7.2.1 围捕?逃逸博弈模型研究 148
7.2.2 集群协同围捕策略 157
7.2.3 仿真验证 172
7.3 不规则航道扫描勘测编队控制 175
7.3.1 建模与问题描述 176
7.3.2 约束环境下路径规划 180
7.3.3 领导者轨迹跟踪控制及理论分析 182
7.3.4 跟随者扫描编队控制及理论分析 187
7.3.5 不规则航道编队仿真实验 189
7.4 本章小结 192
参考文献 193