本书从无人系统的共性技术角度出发，对目前无人系统的主要组成部分和核心技术内涵进行了归类解析，介绍了这些技术的发展现状以及未来发展方向和趋势。全书共10章，主要内容包括无人系统的概述、推进和动力系统、通信系统、任务载荷、操控终端、仿真测试、环境感知、运动规划与行为决策、自主控制、无人系统集群等。通过本书的学习，读者可以了解无人系统的基本组成部分，学习如何研制和开发无人系统、如何设计无人系统的自主性算法、如何对无人系统进行仿真测试等。
本书既可作为高等院校自动化、机械工程、计算机科学与技术、电子信息工程、机器人工程等专业研究生和高年级本科生的教材，也可作为相关行业科研人员的参考书。
（1）本书把各种各样无人系统进行提炼概括，介绍了无人系统所涵盖的知识领域，帮助读者快速建立起无人系统的知识体系。
（2）本书介绍了相关领域的国内外新的技术方法，以及新硬件和软件产品的发展情况。
（3）本书对无人系统普遍具备的组成部分进行纵向分类描述并横向对比，便于读者了解相似领域的发展情况和差异之处，并可以借鉴和启发。
（4）本书注重通俗性和专业性地高度结合，由浅入深、图文并茂，便于读者理解晦涩的专业知识。
刘勇
博士，浙江大学控制科学与工程学院教授，浙江大学控制学院智能驾驶与未来交通中心主任，浙江大学先进智能系统研究中心副主任，浙江大学控制科学与工程学院党委委员，浙江省机器换人专 家。获浙江省自然科学一等奖、浙江省科学技术一等奖、浙江省科学技术进步一等奖、浙江省自然科学学术二等奖、浙江省杰出青年科学基金项目，入选中组部万人计划青年拔尖人才、浙江省有突出贡献青年科技人才、2022年杭州市钱江特聘专家和浙江省 151 人才项目，以第 一作者或通讯作者在IEEE Transactions、ICRA、CVPR、IJCAI、ICCV、IROS、ICLR、AAAI/IAAI等期刊和机器人顶 级会议发表论文百余篇。主要研究方向：自主机器人与智能系统、机器人自主规划与导航控制、视觉识别与模式识别、SLAM技术及多传感器融合技术。
第1章 无人系统概述 1
1.1 无人系统的概念 1
1.2 无人系统的应用 2
1.3 发展无人系统的意义 3
1.4 无人系统的未来发展趋势 5
第2章 无人系统的动力系统 6
2.1 无人车的动力系统 6
2.2 无人机的动力系统 8
2.3 无人艇的动力系统 14
2.3.1 无人艇的推进方式 14
2.3.2 常见的无人艇动力系统 15
第3章 无人系统的通信系统 18
3.1 无人系统通信系统应具备的功能 18
3.2 无人系统常用的通信手段 20
3.2.1 无人车的通信系统 20
3.2.2 无人机的通信系统 20
3.2.3 无人艇的通信系统 21
3.2.4 无人潜航器的通信系统 22
3.3 适用于无人系统的通信网络 22
3.3.1 移动自组织网络 22
3.3.2 无线网状网络 28
3.3.3 移动自组织网络与无线网状网络的主要区别 34
第4章 无人系统的任务载荷 35
4.1 无人车的任务载荷 35
4.1.1 光电载荷 35
4.1.2 穿墙雷达 36
4.1.3 遥控消防水炮 37
4.1.4 工程机械设备 38
4.1.5 机械臂 38
4.1.6 气象设备 40
4.1.7 CBRN探测设备 41
4.1.8 武器系统 42
4.2 无人机的任务载荷 43
4.2.1 光电吊舱 43
4.2.2 激光雷达 45
4.2.3 多光谱照相机 46
4.2.4 合成孔径雷达 47
4.2.5 气体检测仪 48
4.2.6 雷达生命探测仪 49
4.2.7 播撒系统 50
4.2.8 声光设备 51
4.2.9 应答器 52
4.3 无人艇的任务载荷 53
4.3.1 光电载荷 53
4.3.2 激光雷达 54
4.3.3 前视声呐 55
4.3.4 侧扫声呐 55
4.3.5 浅地层剖面仪 56
4.3.6 多波束测深系统 57
4.3.7 合成孔径声呐 57
4.3.8 水文监测传感器 58
4.3.9 吊放绞车 60
4.4 无人系统任务载荷的未来发展趋势 61
第5章 无人系统的操控终端 62
5.1 操控终端的基本组成和功能 62
5.2 操控终端涉及的关键技术 64
5.3 无人车的操控终端 65
5.3.1 车载式操控终端 65
5.3.2 便携式操控终端 67
5.3.3 手持式操控终端 68
5.3.4 穿戴式操控终端 68
5.4 无人机地面站 69
5.4.1 军用级无人机地面站 70
5.4.2 行业级无人机地面站 72
5.4.3 消费级无人机地面站 75
5.4.4 通用化无人机地面站软件 76
5.5 无人艇的操控终端 77
5.5.1 固定式控制基站 77
5.5.2 便携式操控终端 78
5.5.3 手持式遥控器 79
5.6 多平台集群操控终端 80
5.6.1 无人机集群控制系统 81
5.6.2 空地异构无人平台控制系统 83
5.6.3 海上多域无人平台控制系统 85
5.7 辅助操控系统 86
5.7.1 立体视觉显示系统 87
5.7.2 基于彩色测距的士兵临场感系统 87
5.7.3 驾驶员感知和变化监测系统 88
5.7.4 装甲透视系统 90
5.7.5 超远程无人平台控制系统 91
5.7.6 脑机接口操控系统 91
5.7.7 手势控制系统 92
5.7.8 虚拟现实设备 93
5.8 无人系统操控终端的未来发展趋势 94
第6章 无人系统的仿真测试 95
6.1 主要的智能机器人仿真软件 95
6.1.1 Gazebo 96
6.1.2 Webots 96
6.1.3 CoppeliaSim 98
6.2 主要的地面自动驾驶仿真软件 100
6.2.1 基于真实采集数据的自动驾驶仿真软件 101
6.2.2 基于模拟生成数据的自动驾驶仿真软件 102
6.2.3 基于虚实合成数据的自动驾驶仿真软件 109
6.3 无人机软件在环仿真 113
6.3.1 APM/PX4 113
6.3.2 XTDrone 115
6.4 主要的水中无人平台仿真软件 116
6.5 仿真软件需要重点关注的方向 118
第7章 无人系统的环境感知 120
7.1 定位导航 121
7.1.1 全球导航卫星系统 121
7.1.2 惯性导航系统 124
7.1.3 组合导航系统 125
7.1.4 SLAM及应用 125
7.2 单传感器环境感知 127
7.2.1 相机与视觉感知经典算法 127
7.2.2 激光雷达 138
7.2.3 毫米波雷达 146
7.2.4 其他传感器 157
7.3 多模态信息融合SLAM 164
7.3.1 多模态信息融合技术的层次与分类原则 164
7.3.2 多特征基元融合 165
7.3.3 多传感器融合 170
7.3.4 多维度信息融合 173
第8章 无人系统的运动规划与行为决策 176
8.1 无人系统运动规划 176
8.1.1 传统路径规划方法 177
8.1.2 基于采样的路径规划算法 180
8.1.3 运动规划算法原理 183
8.1.4 智能运动规划 185
8.1.5 运动规划算法的发展趋势 187
8.2 无人系统行为决策 188
8.2.1 无人系统的轨迹预测 189
8.2.2 基于规则的行为决策 193
8.2.3 基于马尔可夫决策过程的行为决策 194
第9章 无人系统的自主控制 197
9.1 无人系统自主控制概述 197
9.1.1 自主无人控制系统简介 197
9.1.2 自主控制的相关概念 199
9.2 无人系统运动模型 199
9.2.1 无人机动力学模型 200
9.2.2 无人车运动学模型 202
9.2.3 无人艇模型 206
9.3 无人系统运动控制 209
9.3.1 参考轨迹的生成 210
9.3.2 线性控制 211
9.3.3 无人机系统运动控制 215
9.3.4 无人车系统运动控制 224
9.3.5 无人艇系统运动控制 229
9.4 无人系统安全控制 237
9.4.1 无人机系统安全控制 238
9.4.2 无人车系统安全控制 240
9.4.3 无人艇系统安全控制 243
第10章 无人系统集群 248
10.1 无人系统集群概述 248
10.1.1 无人系统集群的定义及特点 248
10.1.2 无人系统集群的优势 249
10.1.3 无人系统集群的异构性 250
10.1.4 典型的无人系统集群 251
10.2 无人系统集群的建模 252
10.2.1 同构无人系统集群模型 252
10.2.2 异构无人系统集群模型 253
10.2.3 生物学启发模型 255
10.3 无人系统集群的协同运动与路径规划 256
10.3.1 无人系统集群的协同运动方式 261
10.3.2 图分解法 263
10.3.3 基于采样的方法 264
10.3.4 基于数学优化的方法 266
10.3.5 基于生物启发的方法 267
10.4 无人系统集群的协同控制 267
10.4.1 无人系统集群协同控制要素 268
10.4.2 无人机集群协同控制 269
10.4.3 无人车集群协同控制 271
10.4.4 无人艇集群协同控制 277
10.5 其他集群行为 281
10.5.1 智能交互 281
10.5.2 集群感知 281
参考文献 283
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