《无人水下航行器集群控制》正式出版！

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* o) L4 Z# j7 w6 H我国是海洋大国，拥有丰富的海洋资源及漫长的海岸线。在海洋形势日趋复杂的今天，面向海洋保护区监管和海岸带、海岛保护监管等现实需求，加强智能化海洋作战系统的研究已迫在眉睫。无人水下航行器作为新型智能化海洋武器装备，具有体积小、隐身性好、很难被拦截、不易被追踪等特点，能够在海洋战场评估、情报侦查、水下探测、探险、扫雷、协同作战等领域发挥重要作用。
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CO3-AUVs 海上实验

                               
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Swarm-diver 航行器集群
+ ~" s$ }( d! x+ H$ l) }6 l8 Z7 [

                               
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' u* s* I: A. R
4 O5 \5 E! y, W2 ~' G% H奥地利 Cocoro 航行器集群
4 L; o+ s0 J2 J+ x0 v0 s* z4 W

                               
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1 p. f$ W1 w" v* ]4 l0 m0 O7 X
: G/ }4 ?9 K" G9 C1 T哈尔滨工程大学航行器集群
受自然界中生物集群行为启发，同时得益于电子信息技术的推陈出新，无人水下航行器集群技术迅猛发展，已成为当前各主要国家和地区争先推进的前沿尖端技术。集群系统融合群体协同和单体自主性优势，具有更高的灵活性、机动性、任务执行效率和更广的作业范围，可代替人类完成更复杂的任务，进而满足协同区域搜索、编队巡逻、多无人平台协同围捕等实际需求，这进一步扩展了无人系统的应用领域。

" o  [4 Y" ~3 T/ u《无人水下航行‍器集群控制》取材于作者团队近年来的相关研究成果。本书共分为 6 章，体系结构如下图所示。第 1 章概述了无人水下航行器集群控制理论和研究概况，第 2 章建立了欠驱动无人水下航行器的运动模型，第 3章主要研究了欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制，第 4 章主要研究了欠驱动水下航行器路径跟踪控制，第 5 章主要研究了多水下航行器协同编队控制方法；第 6 章主要研究了多水下航行器集群跟踪控制方法。

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: h* N$ |$ h! \; @
本书体系结构图
& [9 w. N9 ^: t! R# P; S) x8 r# S具体内容安排如下：
; Q. y4 g7 X  W! T0 D; q/ s第 1 章“绪论”给出了无人水下航行器集群的定义，概述了国内外航行器集群控制的研究进展，介绍了本书中用的理论知识，并对体系结构进行了说明。
第 2 章“欠驱动无人水下航行器运动模型”给出了欠驱动无人水下航行器运动学和动力学方程，并对欠驱动系统进行了本质非线性、非完整特性、可控性与系统稳定性分析；利用 MATLAB 编写实验程序，进行操纵性仿真实验验证。
; u/ m6 M8 b! F* T7 i% }) d* u6 x4 e第 3 章“欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制”首先基于自适应动态面设计速度和转艏控制器，克服了传统反步设计过程中的微分爆炸问题；然后，通过引入虚拟航行器，简化了轨迹跟踪控制器设计步骤，保证航行器跟踪上参考轨迹；最后，基于神经网络和模糊逻辑系统设计干扰逼近器，补偿环境干扰及模型不确定性，提高了控制系统在复杂海洋环境下的鲁棒性。
- ~* l& B' A' t, W% r第 4 章“欠驱动水下航行器路径跟踪控制”主要研究外界干扰下的路径跟踪问题。研究路径规划方法，克服传统势函数中的目标不可达和局部极小值问题；为提高航行器收敛至期望路径的暂态行为，设计基于误差的趋近角；考虑海流干扰问题，一方面设计基于阻尼反步的动力学控制器，提高系统的抗干扰性；另一方面基于李雅普诺夫稳定性设计非线性海流观测器，补偿未知海流干扰，仿真实验结果验证了所提控制方法的有效性。
8 O% h, U& s/ P+ z, z第 5 章“多水下航行器协同编队控制”主要研究了集中式编队控制和分布式编队控制。分析领航跟随编队结构，建立领航跟随编队模型，基于反步法和李雅普诺夫直接法设计跟随控制律，实现了多航行器协同编队控制；为提高编队方法的实用性，利用一致性理论和视线制导方法，设计基于路径参数一致的协同跟踪制导律，分别实现了多路径协同跟踪控制、单路径协同跟踪控制以及单路径协同包围控制。
第 6 章“多水下航行器集群跟踪控制”主要研究了集群自组织分布式协同控制方法。首先，基于生物自组织行为构建了集群聚集模型，通过李雅普诺夫稳定性理论设计集群期望速度；其次，利用小波神经网络设计干扰逼近器估计未知干扰，基于图论设计群中心观测器，实现了不确定干扰下的航行器集群轨迹跟踪控制；再次，基于视线法和集群自组织聚集模型设计群中心制导方法，实现了多航行器集群路径跟踪控制；最后，通过改进的人工势函数修正集群速度，保证多航行器在航行过程中能够安全绕过障碍物，仿真实验结果验证了所提方法的有效性。
9 \- [& @. g, X# o" k/ J作者简介
* i1 v% c$ Q* q

5 H7 `, M( d/ A                               
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1 g* b' y. D7 @: ~) O1 w- Y4 p9 a梁霄，大连海事大学教授、博士生导师、国家级科技重大专项项目首席科学家，长期从事海上无人系统群体智能决策与协同控制研究，入选交通运输部“交通运输青年科技英才”、辽宁省“创新人才支持计划”、辽宁省“兴辽英才计划—青年拔尖人才”、辽宁省“百千万人才工程”等，发表学术论文 100 余篇，承担国家级科技重大和重点项目 2 项、国家自然科学基金项目4项，现为中国人民解放军陆军装备部专家、海军装备部专家、辽宁省造船工程学会专家组成员、辽宁省水下机器人联盟专家委员、国家自然科学基金评审专家等。容简介
9 B$ t2 N9 O% X: Y  c5 k* U本书从模型、理论和仿真等角度，深入系统介绍无人水下航行器集群控制的理论和方法。首先，本书概述了无人水下航行器集群研究现状，并对反步、滑模等非线性控制方法进行简单介绍；其次，通过分析航行器控制特性，建立运动学模型，并基于该模型进行操纵性仿真；再次，针对欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制、路径规划、路径跟踪控制、多路径协同跟踪控制、单路径包围控制、集群轨迹跟踪控制、集群路径跟踪控制及集群避障等问题，分别基于动态面、神经网络、模糊系统、图论、势函数及一致性等理论设计控制器；最后，为验证上述控制方法的有效性和优越性，给出了详细的理论证明和仿真结果。
目录速览
前言

5 x/ J1 T( _3 b' O. P% n第1章 绪论 1
1.1 无人水下航行器集群概念 1
1.1.1 无人水下航行器集群定义 1
1.1.2 无人水下航行器集群背景 2
9 e4 i8 O- }9 J/ ]0 V1.2 无人水下航行器集群系统研究概况 3
1.3 无人水下航行器集群控制研究概况 4
1.4 预备知识 6
! T( b  c* X" A+ E/ \- ~- S1.4.1 反步控制 6
1.4.2 动态面控制 8
, s. T4 J& ?! |; `1.4.3 滑模控制 9
, p; a( f. E' Q  q6 R1.4.4 李雅普诺夫稳定性理论 10
1.5 本书体系结构 12
( A6 ~" h0 g' @' z/ \参考文献 13
第2章 欠驱动无人水下航行器运动模型 16
( }; @# E3 n# t! X* A; V2.1 运动学模型 16
2.1.1 符号定义 16
% A9 Y6 h, s: L/ u, X2.1.2 坐标系 17
5 r- r8 a7 x* e9 A- C2.2 动力学模型 20
2.2.1 六自由度模型 20
9 l7 `) h) n4 ?9 t, e: x2.2.2 三自由度模型 24
5 J. c" F5 y3 t( S8 [2.2.3 控制特性分析 25
2.3 操纵性仿真 28
2.3.1 二维操纵性仿真 29
( k; F" z/ P- m( _5 I% F" t2.3.2 三维操纵性仿真 31
# e) t) T' X5 b7 y/ f) J2.4 本章小结 32
5 B5 @% k' B5 q参考文献 32
: n) I- `4 O, w% ?1 J第3章 欠驱动水下航行器轨迹跟踪控制 34
3.1 基于反步法的基础控制 34
3.1.1 二维基础控制 34
3.1.2 三维基础控制 40
3.2 基于动态面的二维轨迹跟踪控制 44
( u* f& V5 ?6 L% V8 H, ]3.2.1 问题描述 44
3.2.2 速度转艏控制器设计 45
  k' B; |: }. e6 i, [3.2.3 稳定性分析 49
3 X& X$ M2 J* v- L. Z3.2.4 仿真实验 51
: I% h/ n9 O& A# r' y/ S! w% a* C3.3 基于自适应动态面的三维轨迹跟踪控制 53
6 I1 L; M5 i' k+ s  f5 ~, ]1 f. q3.3.1 问题描述 53
: x0 u$ `0 J# Q% n, x0 F8 v* m/ h3.3.2 速度转艏纵倾控制器设计 55
- Y5 w6 e+ i; k* [7 n# D+ M3.3.3 稳定性分析 58
; t- b( A/ c4 x# B  ?3.3.4 仿真实验 59
9 h  Y9 K  H& ]4 }3.4 基于神经网络逼近的轨迹跟踪控制 61
3.4.1 问题描述 61
3.4.2 控制器设计及稳定性分析 61
; c) @% C- u" Z$ i3.4.3 仿真实验 70
% o7 U$ t- m1 K5 G$ D3.5 基于模糊逼近的轨迹跟踪控制 73
2 ]1 i, H/ |$ I6 x' a3.5.1 控制器设计及稳定性分析 74
3.5.2 仿真实验 80
3.6 本章小结 84
; x* Z3 ~1 n* e参考文献 84
, I% J/ n4 [. Y第4章 欠驱动水下航行器路径跟踪控制 86
9 T0 }' B" S  x) X# A, Z9 V4.1 基于模糊势函数的路径规划 87
& w9 m1 e: @0 O# i6 F0 v4.1.1 问题描述 87
4.1.2 模糊势函数设计 87
4.1.3 仿真实验 90
% n4 U+ Z2 B9 t/ e+ t4.2 基于自适应滑模的水平面路径跟踪控制 91
5 Q1 Q2 B6 }; |2 c. E( B5 E1 h4.2.1 问题描述 91
4.2.2 自适应滑模控制器设计 93
4.2.3 稳定性分析 95
4.2.4 仿真实验 95
4.3 基于自适应滑模的垂直面路径跟踪控制 98
4.3.1 问题描述 98
8 e7 g# `2 L$ W2 T1 q% x4.3.2 自适应滑模控制器设计 100
& N5 v+ S8 i  U4 r- S4.3.3 仿真实验 102
4.4 基于阻尼反步法的三维路径跟踪控制 105
4.4.1 问题描述 105
' V, ?1 S" l% j( G/ @; S4.4.2 阻尼反步控制器设计 107
. v$ l! }. Q' H- [0 `" J) j0 {# L4.4.3 稳定性分析 111
4 ^0 K8 p" P$ p! t. Q, ]4.4.4 仿真实验 113
5 Y: C: A2 }  Z! Y/ t) q6 V% ~4.5 基于海流观测器的三维路径跟踪控制 114
4.5.1 海流干扰分析 115
4 b% ^. v' F, P1 p1 {' D4.5.2 海流观测器设计 117
4.5.3 反步滑模控制器设计 118
, x1 w. {# X. j" Y4 {: X9 X4.5.4 稳定性分析 121
4.5.5 仿真实验 123
4.6 本章小结 126
3 n- N% L+ ^- r参考文献 126
$ @% B' ?0 r6 G& b( I4 e第5章 多水下航行器协同编队控制 128
+ K3 s) a0 H# m  t0 w* }+ a5.1 基于领航跟随的二维编队控制 128
5.1.1 领航跟随编队模型 128
. [1 s+ z. _6 Q5 W4 [5.1.2 问题描述 130
5.1.3 基于级联的控制器设计及稳定性分析 132
# N! S$ L' [3 I* ^- T# |5.1.4 仿真实验 139
1 l5 I6 p3 z; M' q* I; }. V5.2 基于虚拟航行器的三维领航跟随编队控制 144
5.2.1 问题描述 144
( L/ S7 y6 o& ^% R5.2.2 虚拟航行器设计 145
5.2.3 控制器设计及稳定性分析 147
. i9 d# m1 U: q6 L8 @5.2.4 仿真实验 150
5.3 基于路径参数一致性的多路径协同跟踪控制 151
) ?# E' m5 l4 Y1 Z5.3.1 问题描述 151
5.3.2 控制器设计及稳定性分析 152
( Z. X: H+ L3 [& s5.3.3 仿真实验 156
5.4 基于路径参数包含的单路径协同跟踪控制 158
5.4.1 问题描述 158
; N; y& R* F% F5.4.2 控制器设计及稳定性分析 158
% J+ Q3 e1 Z  G7 x5.4.3 仿真实验 163
/ n! Q7 F2 s3 ~5 r8 H5.5 基于路径参数循环跟踪的单路径协同包围控制 165
5.5.1 问题描述 165
5.5.2 控制器设计及稳定性分析 165
5.5.3 仿真实验 169
! q2 v5 |8 m' O0 Z# V0 y5.6 本章小结 170
) H6 _2 u# J" J% T3 u( A$ X参考文献 170
第6章 多水下航行器集群跟踪控制 172
6.1 集群自组织方法设计 173
6.1.1 生物自组织集群模型 173
6.1.2 集群速度向量设计 175
3 B# ^1 K+ c0 y6.2 基于群中心观测的集群轨迹跟踪控制 177
6.2.1 问题描述 177
6.2.2 群中心观测器设计 178
6.2.3 控制器设计及稳定性分析 180
/ x# m2 k( y! w6.2.4 仿真实验 187
5 t1 S. [6 s" A; f6 ?6.3 基于群中心制导的集群路径跟踪控制 193
6.3.1 问题描述 193
6.3.2 群中心制导律设计 194
' X7 h, F; ~" S2 R9 P# p8 w* E+ Q1 Q6.3.3 控制器设计及稳定性分析 197
9 Z1 `7 u3 m% t$ O$ X6.3.4 仿真实验 200
! b; {9 I! F% E7 d6.4 基于势函数的集群自主避障控制 203
6.4.1 问题描述 203
) K6 E+ M$ f& e7 a  ^& z- _1 M6.4.2 速度观测器设计 204
6.4.3 避障势函数设计 205
, N9 @: M# F& c% Z" Q6.4.4 控制器设计及稳定性分析 207
6.4.5 仿真实验 211
6.5 本章小结 214
参考文献 215

                               
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8 T/ X4 g4 t0 V信息来源：科学出版社。