本書在系統地介紹無人艇發展概況及系統架構等基本知識的基礎上，著重介紹水面無人艇智能感知與導航技術。全書共6章，第1章著重介紹無人艇的發展概況和關鍵技術；第2章主要介紹無人艇的艇體設計及系統架構，并闡述無人艇感知系統；第3章為基于視覺的無人艇感知技術，主要介紹水面目標檢測與跟蹤算法；第4章主要介紹基于激光雷達的無人艇感知技術；第5章主要介紹無人艇路徑規劃技術；第6章主要介紹無人艇算法的訓練與測試。本書適合作為高等工科院校電子信息工程、自動化、船舶與海洋工程專業高年級本科生、研究生的教材，同時可供對無人艇控制、智能導航比較熟悉且對無人系統虛擬仿真訓練有所了解的開發人員和研究人員參考。
周治國，北京理工大學集成電路學院副教授，畢業于北京理工大學通信與信息系統專業。南京領軍型科技創業人才，中國高科技產業化研究會智能信息處理產業化分會理事，中國造船工程學會競賽委員會委員，全國海洋航行器設計與制作大賽首都賽區負責人。長期從事智能無人系統感知與導航技術研究，針對無人航行器感知與導航研究了信息融合和自主避障算法，從開源、積累、基準角度提出了一套適用于科研、教學和工程全流程的算法泛化性評測方法。有一定原創性和先進性，可有效評估篩選出適用于實際場景的算法。研究獲得多項國防裝備預研基金支持，已與相關研究所開展無人系統巡檢工程驗證，成果發表在自動化學報等期刊并申請了專利。獲多項省部級教改項目支持，參加國家級賽事并多次獎項。2021年獲校優秀教育教學成果二等獎，2022年獲中國造船工程學會科技進步三等獎。
第1章 無人艇概述 1
1.1 智能無人系統 1
1.1.1 無人艇簡介 2
1.1.2 優勢與特點 2
1.2 無人艇的發展概況 3
1.2.1 國際發展概況 3
1.2.2 國內發展概況 6
1.3 無人艇的關鍵技術 9
1.4 本書內容簡介 11
參考文獻 12
第2章 無人艇設計與實現 13
2.1 無人艇艇體設計 13
2.1.1 技術參數 14
2.1.2 船只結構與岸基設備 15
2.2 無人艇系統架構 16
2.2.1 軟件架構 16
2.2.2 通信架構 17
2.2.3 電氣系統架構 17
2.3 無人艇感知系統 18
2.3.1 定位 18
2.3.2 姿態測量 19
2.3.3 雷達感知 19
2.3.4 視覺感知 20
2.4 無人艇信息監控中心 21
2.4.1 航控與航線界面 22
2.4.2 電力與燈光界面 28
2.4.3 拍照與錄像界面 29
2.4.4 文件列表與系統設置 30
2.5 其他無人艇簡介 32
2.5.1 USV120 32
2.5.2 USV100 33
參考文獻 34
第3章 基于視覺的無人艇感知技術 35
3.1 現有水面目標檢測算法 36
3.2 水面高效實時小目標檢測 37
3.2.1 算法結構 38
3.2.2 數據集構建 41
3.2.3 實驗與分析 45
3.3 水面高光照場景下的目標檢測 51
3.3.1 算法模型及原理分析 51
3.3.2 數據集構建 58
3.3.3 實驗與分析 60
3.4 水面目標跟蹤 63
3.4.1 相關濾波理論 64
3.4.2 跟蹤算法的基本流程與尺度自適應改進 65
3.4.3 檢測跟蹤融合算法設計 66
3.4.4 實驗結果分析 70
參考文獻 71
第4章 基于激光雷達的無人艇感知技術 75
4.1 基于3D激光雷達的水面目標檢測算法 75
4.1.1 點云目標檢測網絡VoxelNet算法設計 75
4.1.2 算法評價指標 78
4.1.3 面向水面環境算法的優化及驗證 79
4.2 多傳感器融合方案及實現 82
4.2.1 傳感器數據融合方案設計 83
4.2.2 傳感器數據空間標定實現 86
4.2.3 D-S證據理論 90
4.2.4 實驗驗證與分析 91
4.3 基于融合算法的水面目標檢測 93
4.3.1 基于3D激光雷達的目標檢測算法的驗證與分析 93
4.3.2 激光雷達與視覺傳感器數據融合的驗證和分析 99
4.3.3 小結 101
參考文獻 101
第5章 無人艇路徑規劃技術 102
5.1 全局路徑規劃 103
5.1.1 全局路徑規劃分析 103
5.1.2 全局路徑規劃算法 106
5.2 局部路徑規劃 111
5.2.1 基于避障的方法 111
5.2.2 基于模型的方法 112
5.2.3 基于深度強化學習的方法 112
5.2.4 基于COLREGs的無人艇動態避障算法 121
參考文獻 139
第6章 無人艇深度強化學習算法仿真訓練平臺 140
6.1 仿真訓練平臺的設計與實現 140
6.1.1 航行環境模塊 141
6.1.2 無人艇模型模塊 143
6.1.3 環境感知模塊 145
6.1.4 數據通信模塊 148
6.1.5 導航避障模塊 149
6.1.6 運動控制模塊 149
6.2 系統參數辨識驗證 149
6.2.1 運動參數采集實驗 150
6.2.2 無人艇旋回實驗 150
6.2.3 無人艇緊急制動實驗 152
6.3 算法的訓練、測試與部署 153
6.3.1 實驗環境設置 153
6.3.2 算法訓練實驗 154
6.3.3 算法測試實驗 157
6.3.4 無人艇實際部署驗證 159
附錄A 162
附錄B 175
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