本书系统地阐述了智能水下机器人海底地形匹配导航的发展与应用，全书共7章，内容主要包括绪论、海底地形匹配导航技术概述、先验数字地形的生成方法、海底地形特征表述与路径规划、地形匹配单元的组建、海底地形匹配导航算法及海底地形辅助导航系统。内容基本上覆盖了智能水下机器人地形匹配技术知识专题及发展动向。
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目录
丛书前言一
丛书前言二
前言
1 绪论 1
1.1 AUV水下导航技术 1
1.2 地形匹配导航原理 3
1.3 AUV海底地形匹配导航技术的研究现状 5
参考文献 9
2 海底地形匹配导航技术概述 13
2.1 海底地形匹配导航系统的组成 13
2.1.1 参考导航单元 13
2.1.2 地形测量单元 14
2.1.3 地形匹配单元 16
2.2 海底地形匹配导航模型 17
2.2.1 状态空间模型 17
2.2.2 数字地形模型 18
2.2.3 影响海底地形匹配定位性能的因素 18
2.3 典型的地形匹配方法 19
2.3.1 基于扩展卡尔曼滤波的地形匹配方法 20
2.3.2 基于相关性的地形匹配方法 21
2.3.3 基于直接概率准则的地形匹配方法 22
2.4 海底地形匹配的特殊性和关键技术 23
2.4.1 飞行器地形匹配导航和AUV海底地形匹配导航的比较 23
2.4.2 不同地形测量传感器在海底地形匹配导航中的特点与优势 24
2.4.3 海底地形匹配的关键技术 26
参考文献 26
3 先验数字地形的生成方法 29
3.1 多波束测深系统构成及原理 29
3.1.1 多波束测深系统构成 29
3.1.2 多波束测深原理 30
3.1.3 GeoSwath Plus相干型多波束测深系统 31
3.2 多波束测深数据处理原理和流程 33
3.2.1 声线的追踪与补偿 33
3.2.2 海底归位处理 36
3.2.3 多波束测深数据处理流程 36
3.3 多波束测深数据的滤波方法 37
3.3.1 多波束测深数据滤波的基本原则 38
3.3.2 基于动态聚类的单ping滤波方法 40
3.3.3 基于Alpha-Shapes模型的单ping滤波方法 47
3.3.4 基于强跟踪卡尔曼滤波的单ping滤波方法 51
3.4 先验数字地形的生成 57
3.4.1 测深数据的空间归位 57
3.4.2 测深数据的网格化处理 58
3.4.3 先验数字地形的存储模型 63
参考文献 66
4 海底地形特征表述与路径规划 68
4.1 海底地形特征的表述 68
4.1.1 地形高程标准差 69
4.1.2 地形信噪比 70
4.1.3 地形费希尔信息量 71
4.1.4 地形高程熵 72
4.1.5 地形高程绝对值粗糙度 74
4.1.6 局部地形相关系数与相关长度 74
4.1.7 局部地形平均坡度及坡度方差 75
4.2 基于改进人工势场法的地形匹配路径规划 76
4.2.1 改进人工势场法 76
4.2.2 最优路径搜索方案 78
4.2.3 路径规划结果 79
4.3 基于扇形搜索的地形匹配路径规划 80
4.3.1 适配区域的扇形搜索方法 81
4.3.2 扇形搜索方法的开角分析 82
4.3.3 目标点处限制线 85
4.3.4 目标点前的适配区域选择 87
4.3.5 引入临界高程熵的路径优化 89
4.3.6 路径规划结果 90
4.4 基于粒子群优化算法的地形匹配路径规划 91
4.4.1 粒子群优化算法 91
4.4.2 问题分析与建模 92
4.4.3 路径规划结果 94
4.5 基于Astar算法的地形匹配路径规划 95
4.5.1 环境建模 95
4.5.2 算法的设计与实现 96
4.5.3 最优路径规划方法实现流程 97
参考文献 98
5 地形匹配单元的组建 99
5.1 实时海底地形的获取与建模 99
5.1.1 单波束测深数据建模 99
5.1.2 多波束测深数据建模 101
5.1.3 DVL测深数据建模 104
5.1.4 实时测深数据的选择模式 105
5.2 局部海底数字地形的插值重构 107
5.2.1 地形插值重构模型分析 107
5.2.2 双线性插值 109
5.2.3 基于分形补偿的双线性插值 111
5.2.4 海底地形插值重构精度统计特性 116
5.2.5 基于索引的快速插值策略 118
5.3 搜索区域的选择 120
5.4 参考水深偏差的消除 122
参考文献 123
6 海底地形匹配导航算法 125
6.1 地形匹配导航算法的分类 125
6.2 地形匹配搜索定位算法 126
6.2.1 参数估计算法 126
6.2.2 脉冲耦合神经网络算法 136
6.2.3 ICP算法 142
6.2.4 节点信息融合算法 147
6.2.5 搜索定位的有效性判定 155
6.3 地形匹配导航滤波算法 158
6.3.1 地形匹配导航的贝叶斯滤波模型 158
6.3.2 基于扩展卡尔曼滤波的地形匹配导航 160
6.3.3 基于无迹卡尔曼滤波的地形匹配导航 162
6.3.4 基于粒子滤波的地形匹配导航 165
6.3.5 基于高斯和滤波的地形匹配导航 173
6.3.6 基于点群滤波的地形匹配导航 177
6.4 海底地形匹配导航算法研究的发展方向 182
参考文献 183
7 海底地形辅助导航系统 185
7.1 地形匹配导航对导航系统的修正方式 185
7.2 海底地形匹配导航的误差分析 188
7.2.1 实时地形获取误差 188
7.2.2 匹配算法误差 189
7.3 定位-跟踪模式的地形匹配导航策略 189
7.3.1 搜索定位规划点的设置 191
7.3.2 基于定位-跟踪模式的地形匹配导航流程 191
7.4 AUV海底地形辅助导航系统 192
7.4.1 硬件系统 192
7.4.2 导航系统体系结构 193
7.5 AUV海底地形辅助导航仿真系统 194
7.5.1 载体运动模块建模 195
7.5.2 参考导航模块建模 196
7.5.3 地形测量模块建模 197
7.5.4 仿真管理模块设计 197
7.5.5 仿真实验 199
参考文献 202
索引 203
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