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。
王曰英，2006年在北京理工大学机械工程及自动化专业获得工学学士学位，2010年在上海交通大学导航、制导与控制专业获得工学硕士学位，2015年在上海交通大学控制科学与工程专业获得工学博士学位。2015年至2017年在上海交通大学任博士后，2017年至2019年在上海工程技术大学任副教授，2019年至2021年在上海大学担任副教授，2021年至今任上海大学教授、博导。2021年度国家优秀青年基金获得者，2022年度科睿唯安交叉学科领域"全球高被引科学家”，获得中国自动化学会自然科学二等奖、上海市自然科学二等奖各一项。以第一/通讯作者发表高水平学术论文20余篇,授权国家发明专利10余件，主持国家自然科学基金优青、面上和国防项目等国家级项目5项。目前兼任IEEE高级会员，中国自动化学会集成自动化技术专业委员会和自适应动态规划与强化学习专业委员会委员，担任国际SCI期刊《Electronics Letters》、《International of Control, Automation, and Systems》、《International Journal of Fuzzy Systems》、《International Journal of Electronics》和《Journal of Electrical Engineering & Technology》的副编辑。主要从事智能控制理论与应用，和海洋智能无人装备研制等方面的研究工作。系统性地提出了一种新的模糊积分滑模控制方法，有效克服了已有方法的局限性，提出并建立了基于FLKF的分析与综合方法，有效降低了采样控制器设计的保守性和通信负担。此外，解决了部件故障、状态约束和输入饱和等受限因素下的系统控制问题，所得成果应用于解决无人艇、飞行器和电气电路等实际系统的控制问题，进行了仿真和部分实验验证。
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
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