丛书前言一
丛书前言二
前言
1 绪论 1
1.1 水下机器人建模与仿真技术研究背景及意义 1
1.2 水下机器人建模与仿真技术基础 4
1.2.1 水下机器人建模技术基础 4
1.2.2 水下机器人系统仿真技术基础 6
1.3 建模与仿真技术发展概况与发展趋势 9
1.3.1 建模与仿真技术发展概况 9
1.3.2 建模与仿真技术发展趋势 13
1.4 水下机器人建模与仿真技术的研究现状和发展趋势 14
1.4.1 自主水下机器人建模与仿真技术国内外研究现状 14
1.4.2 载人潜水器建模与仿真技术国内外研究现状 18
1.4.3 水下机器人建模与仿真技术发展趋势 21
参考文献 21
2 水下机器人建模基础理论与方法 24
2.1 水下机器人机理建模法 24
2.1.1 推进系统分立件模型 24
2.1.2 水下机器人动力学模型 28
2.2 水下机器人插值/拟合建模法 37
2.2.1 海流建模方法 37
2.2.2 海底地形建模方法 38
2.3 水下机器人随机建模法 41
2.3.1 传感器随机建模法 42
2.3.2 海浪随机建模法 43
2.4 水下机器人相似建模法 44
2.4.1 基于势流理论的海流建模法 44
2.4.2 基于线性波理论的海流建模法 47
2.4.3 基于水动力软件的海流建模法 50
2.4.4 视觉传感器的建模 51
2.5 水下机器人综合建模法 52
2.5.1 图像处理 53
2.5.2 曲线拟合 53
2.5.3 曲面拟合 54
2.6 水下机器人系统建模技术的集成 55
2.7 本章小结 55
参考文献 56
3 水下机器人数值仿真基础理论与方法 58
3.1 数值仿真算法的稳定性与仿真精度 58
3.1.1 数值仿真算法的稳定性 58
3.1.2 数值仿真过程的误差 59
3.1.3 数值仿真步长的选择 60
3.2 连续系统的数值仿真算法 60
3.2.1 数值积分法 61
3.2.2 离散相似法 63
3.3 离散事件系统的数值仿真算法 63
3.4 智能优化算法 64
3.4.1 遗传算法 65
3.4.2 人工神经网络算法 65
3.4.3 模拟退火算法 66
3.4.4 蚁群算法 67
3.5 基于专业软件的数值仿真 67
3.5.1 基于MATLAB的数值仿真 67
3.5.2 基于Simulink的数值仿真 71
3.5.3 基于Visual C++的数值仿真 74
3.5.4 基于Google Earth的数值仿真 76
3.5.5 基于Vega Prime虚拟现实的数值仿真 78
3.5.6 基于多种软件的水下机器人联合数值仿真 82
3.6 水下机器人数值仿真应用案例 86
3.6.1 水下机器人MATLAB仿真应用案例 86
3.6.2 水下机器人Simulink仿真应用案例 87
3.6.3 水下机器人Google Earth与Visual C++联合仿真应用案例 88
3.6.4 水下机器人MATLAB与Visual C++联合仿真应用案例 89
3.7 本章小结 91
参考文献 91
4 水下机器人半物理仿真技术及应用 93
4.1 水下机器人硬件在回路仿真技术 93
4.1.1 水下机器人系统及相关参数 94
4.1.2 水下机器人控制器在回路半物理仿真技术 96
4.2 自主水下机器人控制器在回路仿真案例 100
4.2.1 控制策略及参数调试 100
4.2.2 辅助自主水下机器人实验室调试 106
4.2.3 辅助自主水下机器人湖试和海试 107
4.3 7000米载人潜水器控制器在回路仿真案例 112
4.3.1 控制策略及参数调试 112
4.3.2 辅助7000米载人潜水器的实验室调试 118
4.3.3 辅助7000米载人潜水器水池试验及海试 120
4.3.4 下潜人员培训和训练 121
4.4 水下机器人半物理仿真系统经济效益 121
4.5 本章小结 122
参考文献 122
5 水下机器人全物理仿真技术及应用 125
5.1 水下机器人全物理仿真技术 126
5.1.1 便携式水下机器人及其相关参数 126
5.1.2 水下机器人运动特性全物理仿真技术 127
5.2 传感器负载的模拟技术 130
5.2.1 姿态信号模拟技术 130
5.2.2 深度信号模拟技术 132
5.2.3 卫星定位信号模拟技术 133
5.2.4 DVL信号模拟技术 134
5.3 执行机构负载的模拟技术 136
5.3.1 推进器负载模拟技术 136
5.3.2 舵机负载模拟技术 137
5.4 便携式水下机器人运动特性全物理仿真案例 140
5.5 本章小结 141
参考文献 141
6 水下机器人状态估计算法仿真研究 143
6.1 基于UKF的AUV状态和参数联合估计算法 143
6.1.1 UKF算法 143
6.1.2 基于UKF的AUV状态和参数联合估计 147
6.1.3 仿真验证 148
6.2 基于自适应UKF的AUV状态和参数联合估计算法 152
6.2.1 自适应UKF算法 152
6.2.2 仿真验证 157
6.3 基于平方根UKF的AUV状态和参数联合估计算法 162
6.3.1 平方根UKF算法 163
6.3.2 仿真验证 164
6.4 UKF及其相关算法的比较 166
6.5 本章小结 167
参考文献 168
7 水下机器人控制算法仿真研究 170
7.1 基于MLQG控制算法的仿真研究 172
7.1.1 HOV系统数学模型 172
7.1.2 MLQG控制器设计 173
7.1.3 仿真验证 176
7.2 基于H∞混合灵敏度的水下机器人鲁棒控制仿真研究 180
7.2.1 H∞鲁棒控制基础理论 180
7.2.2 基于H∞混合灵敏度的HOV控制器设计 185
7.2.3 系统鲁棒性分析 192
7.2.4 半物理仿真系统试验验证 196
7.3 基于结构奇异值μ的水下机器人鲁棒控制 201
7.3.1 结构奇异值μ鲁棒控制基础理论 201
7.3.2 基于结构奇异值μ的HOV控制器设计 205
7.3.3 控制系统性能分析 208
7.3.4 半物理仿真系统试验验证 212
7.4 本章小结 217
参考文献 218
附录 220
附录Ⅰ 符号表 220
附录Ⅱ 中英文缩写对照表 225
索引 229
彩图

水下机器人建模与仿真技术是水下机器人设计、研发和应用中的重要技术之一。本书系统地介绍了水下机器人建模与仿真技术的原理、方法和应用。首先介绍水下机器人的现代建模基础理论与方法，包括机理建模法、插值/拟合建模法、随机建模法、相似建模法及综合建模法等；然后介绍数值仿真技术、半物理仿真技术和全物理仿真技术及其应用案例；最后介绍水下机器人建模与仿真技术在水下机器人状态、参数联合估计算法和控制算法研究方面的应用。