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第1章 无人潜水器水下搜救概述1

1.1 深海潜水器1

1.1.1 载人潜水器2

1.1.2 无人潜水器2

1.2 无人潜水器研究概况3

1.2.1 有缆遥控无人潜水器4

1.2.2 无缆自治无人潜水器6

1.2.3 国内深海潜水器研究8

1.3 无人潜水器水下搜救关键技术11

1.3.1 无人潜水器水下环境感知与地图构建技术11

1.3.2 无人潜水器的导航与通信系统12

1.3.3 无人潜水器的水下路径规划及安全避障技术13

1.3.4 无人潜水器的轨迹跟踪控制技术14

1.3.5 无人潜水器的水下目标探测与识别技术15

1.3.6 无人潜水器故障自诊断与容错控制技术16

1.3.7 多潜水器水下协作搜救技术17

参考文献19

第2章 信息融合与水下地图构建22

2.1 无人潜水器坐标系统22

2.2 无人潜水器水下搜救环境模型25

2.3 声纳传感器参数与模型的建立27

2.3.1 前视声纳模型27

2.3.2 声纳传感器参数与模型建立28

2.4 基于D-S信息融合的AUV地图构建与更新29

2.4.1 D-S信息融合算法29

2.4.2 AUV地图构建系统组成30

2.4.3 AUV地图栅格的状态判别规则32

2.5 构建地图仿真结果及分析33

2.5.1 实验环境初始化及仿真流程33

2.5.2 地图构建准确率的定义33

2.5.3 仿真结果及分析34

参考文献41

第3章 人工势场AUV水下路径规划43

3.1 人工势场模型44

3.1.1 引力势场建模44

3.1.2 斥力势场建模45

3.2 人工势场路径规划的局部极小问题47

3.3 人工势场的AUV路径规划49

3.3.1 改进的引力势场函数49

3.3.2 仿真实验及分析50

3.3.3 局部极值问题59

3.4 海流状况下的AUV人工势场路径规划62

3.4.1 AUV在海流环境的运行特点62

3.4.2 速度矢量合成与人工势场集成的路径规划算法63

3.4.3 仿真实验及分析67

参考文献74

第4章 生物启发AUV水下路径规划76

4.1 生物启发神经动力学的基本原理76

4.2 生物启发神经网络模型77

4.2.1 二维生物启发神经网络模型77

4.2.2 三维生物启发神经网络模型78

4.2.3 模型的稳定性分析79

4.3 模型的参数敏感性分析81

4.3.1 神经元之间的连接权系数81

4.3.2 神经元的外部输入信号82

4.3.3 神经元活性输出的取值范围82

4.3.4 神经元活性值的衰减速率83

4.4 基于生物启发神经动力学模型的AUV全局路径规划85

4.4.1 水下环境建模85

4.4.2 环境信息已知的点到点路径规划方法86

4.5 环境信息未知全局路径规划方法91

4.5.1 路径规划模型初始化91

4.5.2 路径规划中的死锁问题92

4.5.3 路径规划的实现与效果对比93

4.6 基于声纳的长距离路径规划应用94

4.6.1 AUV与环境建模95

4.6.2 声纳传感器信息处理96

4.6.3 神经网络模型及目标点激励98

4.6.4 长距离路径规划实验100

4.7 基于三维生物启发神经网络的路径规划102

4.7.1 三维环境地图与三维神经网络模型102

4.7.2 路径规划算法103

4.7.3 路径规划仿真实验104

4.7.4 路径优化104

参考文献107

第5章 无人潜水器水下轨迹跟踪控制109

5.1 基于生物启发模型的运动学三维轨迹跟踪112

5.1.1 无人潜水器运动学轨迹跟踪控制112

5.1.2 生物启发模型114

5.1.3 基于生物启发模型的反步运动学控制算法115

5.1.4 仿真与分析118

5.2 基于生物启发模型的动力学三维轨迹跟踪122

5.2.1 基于生物启发模型的反步滑模级联动力学跟踪控制算法122

5.2.2 FALCON三维跟踪控制仿真125

5.2.3 蛟龙号三维跟踪控制仿真132

5.3 海流状况下的自适应三维轨迹跟踪控制141

5.3.1 无人潜水器的传统自适应控制141

5.3.2 海流状况下基于自适应控制的无人潜水器轨迹跟踪控制143

5.3.3 仿真与分析146

参考文献154

第6章 多AUV水下搜救任务分配158

6.1 自组织多AUV多任务分配与路径规划算法159

6.1.1 自组织特征映射（SOM）神经网络159

6.1.2 基于SOM的多AUV系统的多任务分配161

6.1.3 三维速度矢量合成算法163

6.2 仿真结果163

6.2.1 无海流环境下的多任务分配与路径规划163

6.2.2 静态海流环境下的多任务分配与路径规划166

6.2.3 时变海流环境下的多任务分配与路径规划167

6.2.4 时变海流环境下的动态多任务分配与路径规划169

6.3 栅格信度自组织多AUV多任务分配与路径规划算法172

6.3.1 栅格位置信度函数173

6.3.2 方向信度函数173

6.3.3 AUV路径选择策略与权值更新174

6.4 基于改进SOM算法的三维多AUV任务分配仿真及分析175

6.4.1 三维静态环境中的多AUV任务分配仿真及分析175

6.4.2 三维动态目标环境中的多AUV任务分配仿真及分析176

6.4.3 三维动态障碍物环境中的多AUV任务分配仿真及分析179

参考文献181

第7章 多AUV水下编队控制183

7.1 多AUV主从式运动学编队控制研究187

7.1.1 基于领航AUV位置信息的虚拟AUV设计187

7.1.2 运动学编队控制律设计190

7.1.3 稳定性分析192

7.1.4 运动学编队控制仿真及结果分析193

7.2 多AUV编队避障方法研究200

7.2.1 基于人工势场的多AUV编队避障方法201

7.2.2 基于人工势场的多AUV避障仿真203

参考文献207

第8章 多AUV协作搜索210

8.1 生物启发神经网络搜索路径规划模型212

8.1.1 二维搜索路径规划模型213

8.1.2 三维搜索路径规划模型214

8.2 基于生物启发神经网络的二维多AUV目标搜索仿真及分析215

8.2.1 二维环境中静态目标搜索215

8.2.2 二维环境中动态目标搜索218

8.2.3 二维环境中部分AUV出现故障情况下的目标搜索219

8.2.4 二维环境中不同算法的性能比较221

8.3 基于生物启发神经网络的三维多AUV目标搜索仿真及分析223

8.3.1 三维环境中静态目标搜索223

8.3.2 三维环境中动态目标搜索225

8.3.3 三维环境中部分AUV出现故障情况下的目标搜索226

8.3.4 三维环境中不同算法的性能比较229

8.4 海流环境中的多AUV目标搜索231

8.4.1 海流模型231

8.4.2 速度矢量合成算法232

8.5 三维海流环境中的多AUV目标搜索仿真及分析233

8.5.1 三维常值海流环境下的多AUV目标搜索233

8.5.2 三维动态海流环境下的多AUV目标搜索234

8.5.3 三维动态海流环境下的多AUV动态目标搜索236

参考文献238

第9章 无人潜水器研发与搜救实践240

9.1 AUV系统设计240

9.1.1 核心控制系统242

9.1.2 水面导航定位系统243

9.1.3 任务传感系统244

9.1.4 运动控制系统244

9.1.5 能源动力系统结构设计246

9.2 主要硬件设备介绍247

9.2.1 罗经（附带陀螺仪）247

9.2.2 深度计247

9.2.3 推进器248

9.2.4 嵌入式模板249

9.3 嵌入式系统软件设计253

9.3.1 VxWorks简介253

9.3.2 VxWorks集成开发环境Tornado2.2254

9.4 无人潜水器水下搜救案例254

9.4.1 搜寻任务背景254

9.4.2 搜寻任务准备256

9.4.3 ROV搜索路径规划256

9.4.4 水面定位257

9.4.5 水下目标搜寻258

参考文献262