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第1章 水下机器人概述1

1.1水下机器人的相关概念1

1.2水下机器人研究概况3

1.2.1缆控水下机器人（ROV）研究概况4

1.2.2自治水下机器人（AUV）研究概况7

1.2.3国内水下机器人研究概况12

1.3水下机器人的组成13

1.3.1水下机器人的硬件系统13

1.3.2水下机器人的导航与通信系统20

1.3.3水下机器人的控制系统22

1.4水下机器人技术研究展望24

1.4.1水下机器人的可靠性技术25

1.4.2水下机器人的能源动力技术26

1.4.3水下机器人的水下目标探测与识别技术27

1.4.4水下机器人的导航定位与水下通信技术28

1.4.5自治水下机器人的水下路径规划与安全避障技术29

1.4.6水下机器人的运动控制技术31

1.4.7水下机器人的其他技术32

参考文献33

第2章 水下机器人控制技术36

2.1水下机器人的运动学基础36

2.1.1坐标系及坐标变换36

2.1.2水下机器人空间运动数学模型40

2.2水下机器人的动力学基础44

2.2.1水动力和力矩45

2.2.2推进器的推力和推力矩48

2.2.3浮力、重力和浮力矩、重力矩49

2.2.4外部扰动力49

2.2.5水下机器人空间动力学运动方程49

2.3水下机器人的推进器布置52

2.3.1推进器的数量与布置要求52

2.3.2几种常见推进器的布置及推力计算53

2.4水下机器人的基本控制回路58

2.4.1自动定深回路和自动定高回路58

2.4.2自动定向控制回路59

2.4.3航行速度与定位控制回路60

2.5水下机器人的闭环控制算法61

2.5.1数字PID控制算法61

2.5.2自适应控制算法64

2.5.3滑模控制算法65

2.5.4模糊控制及神经网络控制算法69

参考文献73

第3章 故障诊断与容错控制技术75

3.1故障诊断与容错控制的目的与意义75

3.2故障诊断方法77

3.2.1故障诊断方法分类77

3.2.2基于知识的故障诊断方法78

3.3容错控制技术86

3.3.1容错控制的基本概念86

3.3.2容错控制的方法86

3.4水下机器人故障诊断与容错控制87

3.4.1水下机器人故障诊断方法88

3.4.2水下机器人容错控制技术91

3.4.3水下机器人故障诊断与容错控制技术展望94

参考文献95

第4章 水下机器人传感器故障诊断102

4.1水下机器人的主要传感器及其故障102

4.1.1导航与定位系统传感器102

4.1.2姿态与位置传感器103

4.1.3附属装置传感器103

4.2有限脉冲响应滤波器故障检测算法103

4.2.1水下机器人的有限脉冲响应滤波器模型103

4.2.2水下机器人的传感器故障检测算法105

4.3 OUTLAND1000水下机器人实验系统107

4.3.1 OUTLAND 1000传感器与推进器107

4.3.2 OUTLAND1000通信系统与水面支持系统107

4.4基于FIR的传感器故障诊断算法与水池实验109

4.4.1 OUTLAND1000方向传感器（罗经）故障设定及实验110

4.4.2 OUTLAND1000方向传感器故障检测及实验分析114

4.4.3传感器时变性故障诊断的实验及结果119

参考文献123

第5章 水下机器人传感器故障容错控制125

5.1基于FIR的阈值故障检测与容错控制125

5.1.1 OUTLAND1000状态阈值故障检测与容错控制设计127

5.1.2 OUTLAND1000阈值故障检测与FIR替换容错实验结果分析127

5.2基于FIR信噪比的故障检测与神经网络信号逆推容错控制131

5.2.1 OUTLAND1000FIR信噪比故障检测与容错控制设计131

5.2.2 OUTLAND1000FIR信噪比故障检测与容错实验结果分析134

5.3传感器时变故障的神经网络信号逆推容错控制137

参考文献138

第6章 水下机器人推进器故障诊断与容错控制140

6.1神经网络故障辨识模型141

6.1.1 SOM自组织特征映射神经网络141

6.1.2 BP神经网络143

6.1.3 CMAC神经网络144

6.2水下机器人推进器故障在线辨识信息融合算法150

6.2.1 OUTLAND 1000推进器布置150

6.2.2 OUTLAND1000推进器故障诊断信息融合模型151

6.3推进器故障在线辨识实验结果分析156

6.3.1神经网络在线辨识实时性分析157

6.3.2神经网络在线辨识准确性分析159

6.4推进器拥堵故障的容错控制及水池实验161

6.4.1单参数容错162

6.4.2双参数控制容错163

6.4.3容错控制实验结果分析163

参考文献165

第7章 水下机器人故障诊断与容错控制仿真167

7.1 FALCON推进器的配置167

7.1.1推进器推力分配169

7.1.2推进器故障与优先权矩阵171

7.2推进器故障诊断与容错控制模型172

7.3推进器单故障诊断与容错控制仿真173

7.3.1仿真算例173

7.3.2推进器故障与容错控制结果分析175

7.4推进器多故障诊断与容错控制仿真180

7.4.1 URIS水下机器人推进器配置与控制方程180

7.4.2双故障仿真算例182

7.5基于遗传算法的推进器故障的容错控制律重构仿真研究186

7.5.1推进器控制律伪逆重构算法186

7.5.2控制矩阵重构的遗传算法优化188

7.5.3控制律重构结果分析比较190

参考文献200

第8章 水下机器人故障诊断与容错装置开发202

8.1基于DSP的水下机器人故障诊断与容错控制器202

8.1.1 DSP硬件电路设计202

8.1.2 DSP故障检测控制仪软件208

8.1.3 DSP故障检测控制仪研制中的难点214

8.2基于单片机的水下机器人故障诊断与容错控制器215

8.2.1系统硬件电路设计215

8.2.2系统软件设计220

参考文献224