智能船舶是近年来全球船舶工业的新热点，也是海洋装备战略性新兴领域的重要新质生产力。在此背景下，本书以小型无人艇代表的智能船舶为对象，从智能航行的角度出发，系统地介绍了无人艇的自主航行原理与设计方法。全书内容覆盖了基本概念、运动建模、动力推进、航行控制、视觉感知、实艇案例等，旨在将智能船舶实现自主航行所需的多学科知识汇聚成体系化图谱和综合性案例。系统性的理论学习与思考实践，让学生掌握基础理论，学会设计工具，熟悉开发流程，锻炼学生的工程设计与分析验证能力。

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2008.32011.2 University of Montpellier II, France系统自动化及微电子 2000.92003.7 华中科技大学轮机工程硕士学位研究生(硕士)毕业 1996.92000.7 华中科技大学自动化学士学位本科(学士)2017.11至今 华中科技大学船舶与海洋工程学院教授 2008.22011.1 法国国家科学研究院(CNRS)LIRMM机器人研究所Marie Curie ESR Research Fellow 2006.92006.12 德国维尔茨堡大学机器人与远程信息学研究所Erasmus Mundus Visiting Scholar机器人(水下机器人/无人船/移动机器人) 、海洋智能装备与系统已授权发明专利30余件（含美国专利3件），发表学术论文200余篇（含SCI/EI论文160余篇），2020-至今连续入选爱思唯尔中国高被引学者（船舶与海洋工程学科）、斯坦福大学全球“前2%顶尖科学家”榜单，获评中国人工智能学会杰出会员（首批）。以第一完成人获2023日内瓦国际发明展特许金奖、2023中国交通运输协会技术发明一等奖、2022中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖、2021海洋工程科学技术奖二等奖，作为主要完成人获得省部级科技奖一等奖、二等奖等2项。2021.4至今 中国海洋学会深海技术分会，理事 2019.4至今 海洋工程装备检测试验技术国家工程实验室，理事 2018.4至今 国际自动控制联合会 TC7.2 Marine Systems技术委员会, 委员 2017.8至今 中国机械工程学会机器人分会，委员 2013.11至今 中国人工智能学会智能机器人专业委员会, 委员

目录
第1章 智能船舶概述 1
1.1 智能船舶概念 1
1.2 船舶智能化特点 2
1.2.1 智能船舶主要特点 2
1.2.2 智能船舶主要功能 3
1.2.3 智能船舶关键技术 4
1.2.4 智能船舶船级社认证 5
1.2.5 智能船舶的分类 6
1.3 国内外智能船舶现状 7
1.3.1 无人艇发展现状 7
1.3.2 大型智能船舶发展现状 12
思考与练习 14
第2章 无人艇运动建模与参数辨识 15
2.1 坐标系及运动状态参数定义 15
2.2 运动学建模 16
2.3 动力学建模 18
2.4 操纵运动模型 18
2.4.1 整体型模型 18
2.4.2 分离型模型 20
2.5 模型参数辨识方法 23
2.5.1 最小二乘辨识方法原理 23
2.5.2无 人艇三自由度辨识模型 24
2.6 模型参数辨识试验验证 24
2.6.1 无人艇操纵性试验对象与步骤 25
2.6.2 Z形操纵性试验步骤及结果分析 25
2.6.3 回转操纵性试验步骤及结果分析 28
2.6.4 无人艇辨识模型验证 29
思考与练习 31
第3章 无人艇推进动力系统原理与设计 32
3.1 无人艇航行阻力 32
3.1.1 空气阻力 32
3.1.2 水阻力 32
3.2 螺旋桨推进特性 36
3.2.1 螺旋桨类型 36
3.2.2 螺旋奖的水动力特性 37
3.2.3 B系列螺旋桨图谱及其回归表达式 38
3.3 无人艇推进动力传递与效率分析 41
3.3.1 伴流系数 41
3.3.2 推力减额系数 42
3.3.3 船体效率 42
3.3.4 螺旋桨敞效率 42
3.3.5 相对旋转效率 42
3.3.6 船舶后侧工作的螺旋桨效率 43
3.3.7 推进效率 43
3.3.8 轴效率 43
3.3.9 总效率 43
3.4 推进动力系统常见设备选型 43
3.4.1 电池组 44
3.4.2 好调速器 48
3.4.3 无刷电机 49
3.4.4 螺旋桨 52
3.5 系泊试验与参数辨识 53
3.5.1 无人艇典型动力系统介绍 53
3.5.2 无人艇动力系统系泊试验 54
思考与练习 55
第4章 无人艇智能航行控制原理与设计 56
4.1 无人艇智能航行控制基本原理 56
4.2 制导算法原理与设计 58
4.2.1 航路跟踪问题描述 58
4.2.2 LOS制导原理 58
4.3 PID路径跟踪控制算法设计 59
4.4 自抗扰路径跟踪控制算法设计 62
4.4.1 自抗扰控制技术基本理论 62
4.4.2 广义漂角补偿路径跟踪控制算法 65
4.4.3 路径跟踪仿真验证 71
4.5 避障控制算法设计 75
4.5.1 静态避障 75
4.5.2 动态避障 76
思考与练习 82
第5章 无人艇视觉识别与相对定位 83
5.1 单目相机模型 83
5.1.1 线性模型 83
5.1.2 非线性模型 85
5.2 光学图像预处理 87
5.2.1 灰度转换 87
5.2.2 醜滤波 87
5.2.3 图像边缘检测 89
5.3 水面图像去雾处理 91
5.3.1 暗通道先验理论 91
5.3.2 基于暗通道先验的图像去雾 92
5.3.3 暗通道先验去雾算法改进 93
5.3.4 试验仿真及结果分析 96
5.4 视觉相机标定和图像校正 98
5.4.1 张氏标定法 99
5.4.2 标定实现与图像校正 102
5.5 基于视觉的水面目标检测方法 105
5.5.1 YOLOV4-Tiny水面对接目标检测 105
5.5.2 基于颜色阈值分割的水面对接目标精细检测 110
5.5.3 试验结果与分析 113
5.6 基于单目视觉的水面目标相对位姿测量方法 114
5.7 基于基准标记的水面目标视觉定位方法 116
5.7.1 STag标记的特征及检测方法 117
5.7.2 无人艇视觉导引系统中STag标记的检测实例 120
5.7.3 基于EPnP的目标相对定位方法 121
思考与练习 124
第6章 无人艇智能航行控制案例设计与分析 125
6.1 无人艇智能航行控制系统架构设计 125
6.1.1 智能航行控制系统硬件架构设计 125
6.1.2 艇载嵌入式软件架构设计 129
6.1.3 岸基端上位机应用软件设计 131
6.1.4 开源通用上位机软件案例 133
6.2 通信协议原理与设计 135
6.2.1 NMEA0183协议及标准格式 136
6.2.2 MavLink轻量化通信协议 139
6.2.3 自定义软件通信协议 144
6.3 无人艇自主对接回收控制案例设计与分析 145
6.3.1 自主对接回收控制系统介绍 145
6.3.2 自主对接回收控制系统传感器滤波 147
6.3.3 自主对接回收验证试验 147
6.3.4 避障控制下的静态靠泊验证试验 150
思考与练习 153
参考文献 154