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內容簡介： 本书涵盖了无人水中航行器的导航、制导和控制，总体性能和设计，水动力学和刚体动力学的理论、技术、研究与开发等多个领域。书中汇集了十几个国家的几十个团队多年开展无人水中航行器研发的成果，介绍了自主水下航行器、遥控水下航行器、无人水面航行器，无人水中航行器群组协同运行，以及混合动力水下滑翔机、仿生水下航行器、海洋生物与 AUV 对比等方面内容，各章都涉及作者参与的研发项目背景材料。全书内容丰富，知识面广泛，既有理论又有技术，大量内容至今仍属于领域前沿和热点，可为无人水中航行器的研究与开发提供支撑。本书对国内无人水中航行器的发展具有重要意义，适用于船舶与海洋结构设计制造，船舶导航、制导和控制，军事海洋学等领域的本科生、研究生、教师、科研人员和工程技术人员，可作为其参考书或教材。 關於作者： G. N. Roberts 是威尔士大学机电一体化荣誉教授，也是考文垂大学机电一体化系统客座教授。他是IFAC船舶系统技术委员会成员和IFAC机电系统技术委员会成员。 卢晓平，海军工程大学船舶与海洋工程系任教，研究方向是船舶流体力学。中国造船工程学会会员，中国造船工程学会教育委员会委员，其所著教材《舰船原理》获2009年度海军优秀教材二等奖。 目錄： 第1章 导论：无人水中航行器的 研究与开发................................................ 1 1.1 引言......................................................................................................... 1 1.2 内容安排与简介..................................................................................... 1 1.3 总评......................................................................................................... 8 致谢.................................................................................................................. 8 参考文献.......................................................................................................... 8 第2章 LATIS ROV：下一代水下智能航行器............................................... 9 2.1 引言......................................................................................................... 9 2.2 背景....................................................................................................... 10 2.3 国际合作............................................................................................... 12 2.4 系统描述............................................................................................... 12 2.5 创新点................................................................................................... 27 2.6 实场试验测试....................................................................................... 32 2.7 反馈意见............................................................................................... 38 2.8 安装和运行........................................................................................... 39 2.9 结论....................................................................................................... 40 致谢................................................................................................................ 41 参考文献........................................................................................................ 41 第3 章 HyBIS ROV：多功能6000m潜深机器人水下航行器的新概念..... 43 3.1 背景....................................................................................................... 43 3.2 模块化设计概念................................................................................... 45 3.3 工具模块............................................................................................... 52 3.4 结果....................................................................................................... 61 3.5 结论....................................................................................................... 63 致谢.................................................................................................................63 参考文献.........................................................................................................64 第4 章 用于水下航行器操纵性研究的AUV 项目...................................... 65 4.1 引言........................................................................................................65 4.2 皮拉茹巴（Pirajuba）AUV.........................................................67 4.3 控制架构................................................................................................71 4.4 Pirajuba AUV 动力学建模研究............................................................74 4.5 结果和实验验证....................................................................................80 4.6 结论........................................................................................................83 参考文献.........................................................................................................84 第5 章 基于神经网络的遥控水中航行器切换自适应控制......................... 87 5.1 引言........................................................................................................87 5.2 非线性动态系统切换监管控制方法....................................................89 5.3 预备知识................................................................................................91 5.4 基于神经网络的切换控制....................................................................93 5.5 切换策略................................................................................................96 5.6 遥控水中航行器模型............................................................................98 5.7 数值模拟结果........................................................................................99 5.8 结论......................................................................................................104 参考文献.......................................................................................................104 第6 章 米诺瓦ROV 动力定位和追踪系统研发................................. 109 6.1 引言......................................................................................................109 6.2 Minerva ROV 技术规格...................................................................... 111 6.3 数学模型..............................................................................................112 6.4 控制系统架构和控制模块..................................................................114 6.5 实验结果..............................................................................................119 6.6 结论......................................................................................................123 致谢...............................................................................................................123 参考文献.......................................................................................................123 第7 章 全驱动水下航行器的端口-哈密尔顿函数控制............................. 125 7.1 引言......................................................................................................125 7.2 端口-哈密尔顿函数系统.................................................................... 126 7.3 向量和端口-哈密尔顿函数动力学模型............................................ 127 7.4 采用PHS 表达式的运动控制............................................................ 135 7.5 案例分析............................................................................................. 140 7.6 结论..................................................................................................... 142 参考文献...................................................................................................... 142 第8 章 自主水下航行器基于声呐的同步定位和图形测绘....................... 145 8.1 引言..................................................................................................... 145 8.2 SLAM 问题......................................................................................... 146 8.3 用于AUV 的基于声呐的SLAM 技术.............................................. 147 8.4 水下扫描匹配SLAM 算法................................................................ 152 8.5 实验设置和结果................................................................................. 157 8.6 结论..................................................................................................... 160 致谢.............................................................................................................. 161 参考文献...................................................................................................... 161 第9 章 T-REX 系统：AUV 使命 控制分区推理....................................... 167 9.1 引言..................................................................................................... 167 9.2 研究动机示例.......................................................................... 內容試閱： 序言 当今世界，国内外无人水中航行器发展迅速，在军用和民用上都有广阔应用前景。大体而言，无人水中航行器可以承担情报收集、边境监视与防卫、战场武力对抗、反潜与猎雷扫雷、应急救援、海洋勘探和科学考察、海洋环境监控和资料采样收集、在海洋中危险区域和人员难以企及之处作业等军用和民用的使命与任务。世界上已经有海军舰队、科研单位和工程机构将发展成熟的无人水中航行器付诸实用。 例如，在2010年墨西哥湾漏油事故中，英国石油公司使用了Oceaneering ROV（海洋工程遥控水中航行器），帮助控制深约1500m处的泄漏；这些ROV（Remotely Operated Vehicle，遥控水中航行器）通过水面平台的脐带缆操作，带领操作人员进行封井作业，执行连接管道转移石油和加盖密封油井等工作。 2010 年，英国国家海洋学中心研制的HyBIS（海比斯）ROV 在开曼群岛扩散中心探测了地球上最深的水下热液点，从而使HyBIS ROV 与自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）Autosub 6000 相结合成为世界上热液喷口定位最成功的技术。事实上，探测水下热液喷口是当今水中航行器重要民用高科技使命之一。水下热液喷口不但拥有诸如热液烟囱的壮观景象，而且是积累生态系统和化学合成生命形式的知识实场，在生物技术工业领域具有相当大的潜力，是了解地球上生命演变的窗口。 水中航行器在军用上也有广泛的应用。例如，挪威康斯堡海洋公司属下Hydroid 公司的雷穆斯（Remote Environment Measuring Unit System，REMUS，远距离环境测量装置）AUV 已用于猎雷和探测海床，美国海军在21 世纪初就着手将雷穆斯AUV 用于港口和港区侦测水雷，这种AUV 现在已成为美国海军著名和主要的系统化无人装备，也被世界各地的海军舰队使用。军用AUV 除雷穆斯AUV 外，还有美国海军的曼塔AUV。 2003 年年底斯巴达侦察兵USV（Unmanned Surface Vessel，无人水面航行器）首次正式部署在美国海军巡洋舰葛底斯堡号（CG63）上，并进行了有关试验，获得了舰艇编队人员的好评；2004 年2 月法国也加入了斯巴达侦察兵USV 的先进概念技术演示计划；2005 年4 月美国海军以斯巴达侦察兵USV进行了实弹射击试验。如今，美国海军已有遥控猎雷系统USV、海狐USV和斯巴达侦察兵USV 3 种类型无人水面航行器服役。其中斯巴达侦察兵USV 与以色列2006 年列装的保护者USV 一起被认为是应用最成功的第一代无人水面航行器。斯巴达侦察兵USV 的长度有7m 和11m 两种，有效载荷分别为1360kg 和2360kg，该类型无人水面航行器被认为是适合由其他舰船作为母船搭载的USV，据称斯巴达侦察兵USV 虽然尺寸不大，却有较强的火力，可完成遂行水雷战、侦察与部队保护、港口保护、水面和陆地目标精确打击等使命，也可用于反潜战。 这些无人水中航行器在众多军用和民用使命中是极其有用的工具，特别是在难以采用载人平台作业的情况下更能突显其强大的威力，因此多个国家都将无人水中航行器的发展列入中长期发展计划中，如美国国防部颁布了《20132038 财年无人系统路线图》（该规划自2007 年首次发布以来，滚动式发布新版，每2 年更新发布新版）； 2019 年6 月7 日，美国国会研究处（Congressional Research Service, CRS）发布了《海军大型无人水面航行器和水下无人航行器：背景和相关问题》报告，指出美国海军希望在2020 财年之后，研发和采办3种新型无人系统，即大型无人水面航行器中型无人水面航行器超大型无人水下航行器，美国海军强调了这类大型水面和水下无人系统的重要性，拟采取加速采办策略使其尽快服役。当然，关于大型无人水中航行器，国外也有学者提出了不同看法，如2012 年有英国学者认为远程操控大型船舶是不可行的方案。在此，译者无意评述大型无人水中航行器是否可行，或者水中航行器大到何种程度可采用无人操控方式，只是提示领域的发展趋势，即无人水中航行器备受关注，且大型无人水 中航行器也开始受到关注。 20 世纪80 年代初第三次浪潮引起国内关注，基于大规模集成电路的计算机技术同时处于第三次浪潮的前沿区域、核心区域和基础区域。当时不少学者预测，计算机技术得到充分发展之后，基于人工智能的机器人技术开始发展；几十年过去了，回顾有关领域的发展历程，可以认为在集成电路、计算机技术与人工智能、机器人技术之间插入了一个重要的发展时期，那就是以计算机和通信技术为基础的网络技术猛进的时期。网络技术起源于美国军事科技领域，之后逐渐扩展到世界各个领域，故在一定程度上说网络技术的发展虽然出乎20 世纪80年代人们的预测，但在情理之中。网络技术的出现对于人工智能和机器人领域的发展节奏或许具有一定的缓冲作用，但打下了更为坚实的基础，开拓了更为广泛的前景。如今，计算机技术、网络技术仍在沿着广泛、纵深、高端、更新换代，以及与各领域相互交织等多个维度发展；而人工智能和机器人技术正在蓬勃兴起，与计算机技术、网络技术、NGC 技术（Navigation, Guidance and Control，导航、制导和控制技术）、先进设计制造技术等领域的发展相辅相成，相得益彰。甚至有人预测，当今世界正面临以人工智能和机器人技术的兴起和发展为特征之一的新的技术革命。若沿用20世纪80 年代的观念，那么新的技术革命可称为第四次技术革命或第四次浪潮。无人水中航行器的发展与人工智能和机器人技术、先进设计与制造技术、舰船NGC 技术和舰船总体技术是密切相关的，尤其是无人装备技术（含无人水中航行器技术）与人工智能和机器人技术是密不可分的。在本书的原著Further Advances in Unmanned Marine Vehicles 中，有时就直接将UUV（Unmanned Underwater Vehicle，无人水下航行器）称为水下机器人航行器，UMV（Unmanned Marine Vehicle，无人水中航行器）称为水中机器人；而第2章介绍的LATIS ROV 称为下一代水下智能航行器，事实上，第2 章末提出的未来展望和后续工作中的一项主要内容就是对LATIS ROV 进行智能化升级。第8 章讨论的AUV 基于声呐的SLAM（Simultaneous Localization and Mapping，同步定位与图形测绘）技术，与移动机器人自主定位问题的SLAM 求解方法在原理上来说是相通的。本书直接将用于SLAM 算法实场测试的ICTINEU AUV 称为机器人。在计算机技术、网络技术、人工智能和机器人技术等领域的发展历程中，网络技术的迅猛发展给人工智能和机器人技术留出的缓冲、技术积累和铺垫时期（大约20 年），为今天国内在有关领域的崛起提供了宝贵的机遇，也为国内无人水中航行器的发展提供了宝贵的机遇。中国是制造业大国，拥有完整的制造业体系，同时也是造船大国，这些也为无人水中航行器的发展创造了优良的条件。 纵观国内外无人水中航行器的发展历程，国内无人水中航行器与世界上科技发展先进的国外机构相比，科技发展先进的国外机构仍处于领先的地位，与之相比国内在该领域的发展还有差距。例如，国外的雷穆斯AUV、曼塔AUV、金枪鱼AUV 和斯巴达侦察兵USV 等水中航行器已成为付诸军事应用、商业应用或大规模实际应用的产品；而国内在UMV 实际应用方面还没有这么成熟。又如，国外针对UMV 的发展进行了大量基础研究，取得了诸多成果，提出了UMV的NGC 和总体技术方面的概念、理论和方法，其中有的被称为定义定理命题法则，还有更多的是具有新意的一般见解；而国内在UMV 基础研究方面还没有达到这个水平。与科技发展先进的国外机构相比，国内UMV 发展的主要差距一方面体现在实用化和商业化应用（包括军事应用）研究还不够充分，另一方面体现在基础研究不够充分。 主要基于国内外无人水中航行器发展状况、科技发展快的时代背景，以及国内无人水中航行器发展薄弱环节的一些或许还不算成熟的看法，我们提出引进、翻译和出版这本著作，以期对相关领域的从业者学习借鉴和消化吸收有所裨益，为无人水中航行器的发展和国际间交流做出应有的贡献。 本书内容在国内外属于船舶与海洋结构物设计制造，船舶导航、制导和控制，无人水中航行器和军事海洋学等领域的热点或前沿，对国内科研、教育、国防建设和相关行业的发展具有积极的意义。

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