摘要：随着计算机技术、人工智能理论、传感器技术等不断发展，智能无人系统技术越来越成熟，完成的任务也日趋复杂。智能无人系统是指通过自身传感器信息，能够不完全依靠人控制自主完成指定任务的系统，如无人车、无人机和无人船等无人系统，它们是由人工智能、电气、材料、控制等领域共

随着计算机技术、人工智能理论、传感器技术等不断发展，智能无人系统技术越来越成熟，完成的任务也日趋复杂。智能无人系统是指通过自身传感器信息，能够不完全依靠人控制自主完成指定任务的系统，如无人车、无人机和无人船等无人系统，它们是由人工智能、电气、材料、控制等领域共同创造出来的具备感知、规划、决策、推理能力、自主控制能力的系统。

目前，智能无人系统已广泛应用在海、陆、空、天、地下等领域，用于替代人类完成军事、民用中各类复杂环境下的枯燥、危险任务。在民用领域，智能扫地机器人、智能物流系统、无人驾驶、管道检测无人机、智能分拣机器人日渐成熟，已逐步投入到日常生活中。在军事领域，智能无人机、无人战车广泛应用于侦察、监视、清障、自主打击危险目标等军事任务，极大地提升了执行效率，有效减少人员伤亡。尽管如此，由于自身动力、功能、性能和成本等的约束，单无人系统很难独立快速完成复杂任务，如复杂战场环境下作战、地震等灾害环境下的快速搜索和救援等。多运动体智能协同无人系统由于其集群协同特性，具备执行复杂多变、危险任务的能力，已成为当前研究的热点。

多运动体智能协同无人系统技术架构

图中描述了构建多运动体智能协同无人系统所涉及的关键技术模块。多运动体智能无人系统在复杂、动态环境中完成指定任务，感知定位是根本基础，规划、控制是执行保障。

导航与控制是当前智能无人系统的研究热点与难点

01 测距测向

多运动体智能无人系统关键问题

目前传统的无线电测距测向方法在建模、基础算法方面均有了深入的研究，在较为空旷环境已实现广泛应用。然而在障碍环境定量分析、精确测距测向方法和多节点使用方面，仍有较多工作需要进行深入研究。在面向地下、水下和室内等特定场景下，传统无线电传感器不再适用。因此国内外针对低频磁场测距测向系统的关键技术进行分析与研究，典型研究成果包括NASA 针对室内火灾救援场景需求研制的POINTER 系统、休斯敦大学面向水下智能无人潜航器研制的多节点磁信标测距测向系统和牛津大学面向地下场景设计的互相增强式的惯性磁感应测距测向系统等。低频磁场信号的传播模型是低频磁场测距测向方法在不同场景下应用的理论基础，且该测距测向方法主要应用于地下矿洞、地铁等高遮挡的特殊场景执行搜索、救援任务的智能无人系统中。传统无线电和高穿透低频磁场测距测向方法有以下四个发展方向。

复杂环境下，定量化建模及精确测距测向方法研究。

传统无线电测距测向方法多节点时间同步问题及鲁棒相对定位方法研究。

惯性等传感器与低频磁感应系统结合的多源融合测距测向方法研究。

基于空间几何约束的高精度多节点磁信标测距测向研究。

02 协同定位与导航

多运动体智能无人系统关键问题

协同定位与导航的核心问题是状态估计，已有基于滤波理论、优化理论和图论的众多状态估计方法，能够基本满足协同定位的需求。目前，协同定位方面有待开展的工作是根据无人系统自身和应用环境的特性，对现有的状态估计方法进行适应性研究，以满足实际应用需求。协同定位有以下三个发展方向值得深入探讨。

无人系统应用环境广泛且复杂，需要实现系统噪声和量测噪声不准确或未知情况下的协同定位。

无人系统中成员数目众多，通信资源有限，因此需要开展通信资源受限情况下的协同定位算法研究。

无人系统中所有节点都进行相互量测是不必要的，需要进行合理高效的量测调度和异步量测下的协同定位。同时，进行存在时延情况下的协同导航算法研究也十分必要。

03 同时定位与地图协同构建

多运动体智能无人系统关键问题

目前协同SLAM 算法在短时、短距、特定场景中已经达到了较高的精度，为了在无人系统中进行更广泛的应用，协同SLAM 主要有以下五个发展方向。

基于深度学习的协同SLAM：利用深度学习得到直观、物理意义明确的模型与定量的结果，将深度学习方法与传统SLAM 方法进行有机结合。

基于语义信息的协同SLAM：将传统建图中对环境物体的静态-动态二元分类转变为墙壁、门窗、走廊、人、车等带有不同语义标签的多元分类，隶属于不同语义标签的环境物体具有不同的通过性、移动性等属性，将协同SLAM 应用于动态场景。

异构运动体协同的多种地图拼接：融合多种运动体的传感器数据和多种类型的地图，创建一致性的环境地图是多运动体协同SLAM 未来要解决的关键问题。

多样性环境下稳定且高效的通信技术：在多运动体协同SLAM 中，容错性仍是一个关键问题，持续且良好的通信保障能够有效提高协同SLAM 的容错性。如何在多样性的环境下保持良好的通信，在数据丢失的情况下建立高质量的地图对于多运动体协同SLAM 是一项挑战。

大范围动态复杂环境条件下的协同SLAM 算法：当前，许多协同SLAM算法在创建全局一致性地图时通常是对已完成的局部地图进行融合，导致在特征类似或缺失的环境中算法表现较差。因此，将协同SLAM 应用场景由小范围静态延伸至大范围动态复杂环境是多运动体协同SLAM 的发展趋势，具有极大挑战性。

04 智能规划与编队控制

多运动体智能无人系统关键问题

无人系统协同规划与编队控制是一个永无止境的探索话题，虽然近几年智能无人系统规划与编队控制方面取得了长足的进步，但是仍有一些关键问题有待解决。

自适应拓展的鲁棒模型建立：无人系统节点的状态数量发生变化时，利用系统运动体特性构建鲁棒自适应编队模型。

自适应协同规划与编队控制方法：面向实际任务，自主决策最优队形，完成队形变换，自主避障，形成一套完整的感知→ 规划→ 编队控制系统。

复杂环境下队形自适应切换控制：在协同编队控制算法中，实际无人系统个体间存在异步通信、大时延、动态拓扑等，需根据环境与任务需求实现自适应的队形切换控制。

作者简介

王常虹，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。现任中国惯性技术学会常务理事、中国宇航学会无人飞行器分会理事、黑龙江省自动化学会理事。多年来主持完成了国家及部委基础研究与共性技术攻关项目40余项，在航天器导航与控制系统天地一致性试验技术、智能无人系统导航与控制、半球谐振陀螺仪等领域取得了系统创造性成果；发表学术论文200余篇，授权国家发明专利100余项；获得“全国五一劳动奖章”“国务院特殊津贴专家”“全国优秀博士论文指导教师”“黑龙江省优秀中青年专家”“黑龙江省研究生优秀导师”等荣誉称号；以第一完成人获国家技术发明奖二等奖及省部级一等奖等多项奖励。

李清华，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。长期从事智能无人系统导航与控制、协同导航、磁信息导航等方向研究工作；主持参与了20余项省部级科研项目；现任导航定位与授时编委、惯性技术学报青年编委、航天控制青年编委；累计发表论文50余篇，授权国家发明专利30余项；获国防科技进步奖二等奖、三等奖各1项。

刘博，哈尔滨工业大学航天学院博士生，主要从事无人系统协同编队与规划、多源自主导航与控制等方向的研究工作；参与并完成重大科技项目3项，快速扶持项目1项，相关基金项目3项，并作为负责人独立申请“全驱系统理论与应用”青年研究基金1项，在智能无人系统协同导航与控制领域积累了丰富的工程实践经验和扎实的理论基础。累计发表论文10余篇，国家发明专利8项，带领本科生团队在国内外科技类竞赛中斩获10余项国家级奖项。

《智能无人系统协同导航与控制》（王常虹, 李清华, 刘博著. 北京: 科学出版社, 2024.11）从智能无人系统实际应用出发，结合作者团队多年研究成果，重点针对无人系统测距测向、协同定位、同时定位与建图（SLAM）和编队控制等底层技术，研究分析了多运动体智能无人系统的导航定位和编队控制方法，实现了常规和复杂环境下的智能无人系统高精度导航与控制。

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全书共6 章。

第1 章简要概述无人系统的基本概念、基本架构、基本研究内容以及无人系统协同导航、定位与控制相关内容的研究现状、发展趋势。

第2 章介绍基于无线电的测距测向模型及方法，包括无线电损耗模型，基于飞行时间（TOF）伪距的无线电测距方法，基于超宽带多节点的有锚节点、无锚节点相互测距方法以及基于比幅法、干涉仪法、空间频谱法的无线电测向方法。

第3 章介绍针对地下复杂环境所采用的磁信标测距测向方法，主要包括磁传感器、磁信标磁场分布模型、基于特征向量的磁测距测向技术、低信噪比磁场信号辨识方法、磁测距测向误差分析，以及单磁信标、多磁信标、磁传感器阵列等高穿透力低频磁场测距测向方法。

第4 章介绍协同定位算法，包括主从式和并行式协同导航系统建模、基于滤波的协同定位算法、协同导航系统性能分析，以及基于胡贝尔（Huber）估计、噪声自适应、时延补偿等的鲁棒协同定位算法。

第5 章介绍同时定位与地图协同构建方法，包括视觉/惯性SLAM、激光雷达/视觉/惯性SLAM、协同SLAM中数据关联技术、多运动体协同视觉SLAM 等内容。

第6 章介绍智能协同编队控制与路径规划方法，包括基于共情理论的编队队形选择方法、基于概率推理的编队运动规划方法、基于仿射变换的协同编队控制方法、基于强化学习的动态环境路径规划方法及多运动体协同路径规划方法。

本书侧重基础理论与应用技术，可供理工科院校航空航天、自动化、机器人等相关专业的高年级本科生与研究生参考，也可作为从事相关研究的高校教师、工程技术人员的参考书。

本文摘编自《智能无人系统协同导航与控制》（王常虹, 李清华, 刘博著. 北京: 科学出版社, 2024.11）一书“前言”“第1 章绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-078024-9

责任编辑：姜 红 张培静

本书结合作者团队多年的科研成果，系统介绍智能无人系统协同导航与控制问题，主要内容包括无线电传感器测距测向、高穿透力低频磁场测距测向、多运动体协同定位、同时定位与地图协同构建，以及智能协同编队与路径规划等内容。

本书侧重基础理论与应用技术，可供理工科院校航空航天、自动化、机器人等相关专业的高年级本科生与研究生参考，也可作为从事相关研究的高校教师、工程技术人员的参考书。

来源：科学出版社图书账号