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本书就无人艇的运动控制、自主感知与路径规划等的相关原理和设计展开介绍与扩展，基本囊括了无人艇运动控制与路径规划的主要内容。本书的主要内容包括：国内外无人艇的应用与发展现状和关键技术研究现状，无人艇的运动学模型、动力学模型及水平面3自由度运动数学模型，无人艇自动靠泊控制、路径跟踪控制、轨迹跟踪控制和编队控制的控制器设计及仿真，用Gazebo仿真软件完成工业单目相机与镭神激光雷达的联合标定及多传感器融合建模，以及全局和局部的多种路径规划算法。本书中提供了基本的原理方法介绍和计算推导实例，内容全面，实用性强，适用范围广，可作为高等院校船舶与海洋工程、控制理论与控制工程等相关专业高年级本科生和研究生的课程教材，也可作为无人艇运动数学模型、无人艇运动控制、自主感知技术与环境建模、无人艇路径规划方面的参考资料。

目    录
第1章  绪论	1
1.1  无人艇概念	1
1.2  无人艇研究现状	2
1.2.1  国内无人艇的应用与发展现状	2
1.2.2  国外无人艇的应用与发展现状	3
1.2.3  关键技术研究现状	5
第2章  无人艇运动数学模型	11
2.1  参考坐标系	11
2.2  运动学模型	12
2.3  动力学模型	13
2.3.1  流体动力数学模型	15
2.3.2  外部干扰力数学模型	17
2.3.3  船舶控制力数学模型	18
2.4  无人艇水平面3自由度运动数学模型	19
2.4.1  无人艇水平面3自由度一般方程	19
2.4.2  简化的无人艇水平面3自由度运动数学模型	20
第3章  无人艇运动控制	21
3.1  基础理论	21
3.1.1  Lyapunov稳定性理论	21
3.1.2  非线性系统的鲁棒性控制	24
3.2  无人艇自动靠泊控制	31
3.2.1  概念	31
3.2.2  控制器设计与稳定性分析	31
3.2.3  仿真实验	35
3.3  无人艇路径跟踪控制	37
3.3.1  基础知识概述	37
3.3.2  制导律设计	42
3.3.3  基于Backstepping滑模的动力学控制器设计	43
3.3.4  闭环稳定性分析	45
3.3.5  仿真实验	46
3.4  无人艇轨迹跟踪控制	50
3.4.1  引言	50
3.4.2  问题描述与预备知识	51
3.4.3  控制算法设计和稳定性分析	55
3.4.4  仿真实验	63
3.4.5  总结	64
3.5  无人艇编队控制	65
3.5.1  虚拟领航方法概述	65
3.5.2  PID控制算法介绍	66
3.5.3  虚拟领航无人艇的路径跟踪误差模型的建立	68
3.5.4  编队误差模型的建立	70
3.5.5  虚拟领航无人艇控制器的设计	71
3.5.6  跟随无人艇控制器的设计	72
3.5.7  仿真实验	74
第4章  自主感知技术与环境建模	79
4.1  雷达感知	79
4.1.1  Gazebo仿真环境的搭建	80
4.1.2  镭神激光雷达驱动安装与启动	82
4.2  光学目标感知	86
4.2.1  Gazebo仿真环境光学目标感知	88
4.2.2  工业单目相机驱动安装与启动	91
4.3  工业单目相机与镭神激光雷达联合标定	93
4.4  多传感器融合建模	105
第5章  无人艇路径规划	107
5.1  无人艇全局路径规划	107
5.1.1  引言	107
5.1.2  电子海图	107
5.1.3  环境建模	111
5.1.4  常用的全局路径规划算法	112
5.2  无人艇局部路径规划	130
5.2.1  引言	130
5.2.2  避碰规则	131
5.2.3  碰撞风险	132
5.2.4  常用的局部路径规划算法	138
5.2.5  人工势场法	141
参考文献	145

前    言
近年来，随着无人机、无人车等无人装备的迅速发展，智能无人系统的发展逐渐从空中、陆地扩展到了海洋，同时由于世界各国对于海洋资源开发和权益维护的重视，各国研究人员纷纷投入对无人艇相关技术的研究。
无人艇作为一种智能无人系统，在军事、科学考察等方面具有巨大的商业价值和应用潜能。无人艇运动控制与路径规划技术是将无人艇应用于实际的核心内容，优秀的控制系统、感知系统和路径规划系统是无人艇完成各种任务的必要前提。
本书就无人艇的运动控制、自主感知与路径规划等的相关原理和设计展开介绍与扩展，基本囊括了无人艇运动控制与路径规划的主要内容。全书分为5章，第1章介绍国内外无人艇的应用与发展现状和关键技术研究现状；第2章介绍无人艇的运动学模型、动力学模型及水平面3自由度运动数学模型；第3章从Lyapunov稳定性理论入手，介绍无人艇自动靠泊控制、路径跟踪控制、轨迹跟踪控制和编队控制的控制器设计及仿真；第4章利用Gazebo仿真软件完成工业单目相机与镭神激光雷达的联合标定及多传感器融合建模；第5章介绍全局和局部的多种路径规划算法。
本书由上海大学王曰英教授团队编著，上海海事大学周卫祥老师、浙江工业大学魏岩老师、上海交通大学吴洋博士参与了编写。具体分工如下。
王曰英教授负责本书的统稿与审阅工作，周卫祥老师负责编写本书3.3节、3.5节，魏岩老师负责编写本书3.2节，吴洋老师负责编写本书3.4节，王曰英教授及其团队成员路楠负责编写本书其余章节。
为了方便读者学习使用和参考，本书提供了基本的原理方法介绍和计算推导实例。在编写本书的过程中，编者查阅了大量的资料，包括国内外专家学者的研究报告、相关的学术会议报告、学术论文等，在此对这些专家学者在无人艇运动控制与路径规划领域所做出的贡献表示崇高的敬意，对能引用他们的成果感到十分荣幸并由衷表示谢意。
本书内容全面，实用性强，适用范围广，可作为高等院校船舶与海洋工程、控制理论与控制工程等相关专业高年级本科生和研究生的课程教材，也可作为无人艇运动数学模型、无人艇运动控制、自主感知技术与环境建模、无人艇路径规划方面的参考资料。
本书提供配套的电子课件（PPT），读者可登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费下载。
由于编者水平有限，对某些问题的理解可能还不够深入，本书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。

编    者

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