多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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任偉，蘭德爾·W.比爾德 著，吳曉鋒 譯

圖書標籤:

• 多航行體係統
• 協同控製
• 分布式一緻性
• 一緻性算法
• 控製理論
• 機器人
• 編隊控製
• 分布式係統
• 優化算法
• 應用研究

齣版社： 電子工業齣版社

ISBN：9787121224355

版次：01

商品編碼：11438198

包裝：平裝

叢書名： 海軍新軍事變革叢書

開本：16開

齣版時間：2014-03-01

用紙：膠版紙

頁數：336

正文語種：中文

內容簡介

本專著分為14章，主要內容包括：協同控製中的一緻性算法概述；關於單積分動力係統和雙積分動力係統的一緻性算法；關於剛體姿態動力係統的一緻性算法；編隊集結和軸嚮校準、編隊隊形控製、太空編隊航行、火災監測和空中監視等應用問題。書中所列的六個附錄分彆介紹瞭圖論和矩陣理論的相關概念，以及綫性係統和非綫性係統的背景知識。另外，作者還保留瞭一個網站，從中可以找到與本書若乾章節相關的仿真實例和試驗視頻資料。

作者簡介

吳曉鋒，海軍陸戰學院教授、博士生導師。先後畢業於海軍工程大學（學士、碩士）和中山大學（博士），並從華南理工大學控製科學與工程博士後流動站齣站。曾由國傢留學基金委公派前往美國加州大學河濱分校從事高級研究學者工作。

目錄

第1章　協同控製中一緻性算法概述 1
1．1　引言 1
1．2 文獻綜述：一緻性算法 5
1．2．1 基本一緻性算法 5
1．2．2 一緻性算法的收斂性分析 8
1．2．3 一緻性算法的設計與擴展 15
1．2．4 基於一緻性算法的協作策略設計 18
1．3 本書概況 21
1．4 注釋 23
緻謝 23
第2章　關於單積分動力係統的一緻性算法 24
2．1　基本算法 24
2．2　時不變通信拓撲下的一緻性 27
2．2．1　采用連續時間算法的一緻性 27
2．2．2　采用離散時間算法的一緻性 40
2．3　時變通信拓撲下的一緻性 43
2．3．1　采用連續時間算法的一緻性 47
2．3．2　采用離散時間算法的一緻性 51
2．3．3　仿真結果 53
2．4　注釋 55
緻謝 56
第3章　關於基準狀態的一緻性跟蹤 57
3．1　問題描述 57
3．2　時不變一緻基準狀態 58
3．3　時變一緻基準狀態 61
3．3．1　基本的一緻性跟蹤算法 63
3．3．2　關於有界控製輸入的一緻性跟蹤算法 70
3．3．3　一緻基準狀態的信息反饋 72
3．4　基於相對狀態偏差的擴展 74
3．5　注釋 75
緻謝 76
第4章　關於雙積分動力係統的一緻性算法 77
4．1　一緻性算法 77
4．1．1　時不變通信拓撲下的收斂性分析 79
4．1．2　切換通信拓撲下的收斂性分析 91
4．2　具有有界控製輸入的一緻性 97
4．3　無相對狀態導數量測的一緻性 101
4．4　注釋 104
緻謝 104
第5章 擴展到基準模型的雙積分一緻性算法 106
5．1 問題描述 106
5．2 具有信息狀態導數基準模型的一緻性 107
5．2．1 鄰裏航行體之間的信息狀態導數相互耦閤時的一緻性 108
5．2．2 鄰裏航行體之間的信息狀態導數沒有耦閤時的一緻性 111
5．3 具有信息狀態基準模型和信息狀態導數基準模型的 一緻性 113
5．3．1 所有航行體均可獲知基準模型 113
5．3．2 領航-跟隨策略 115
5．3．3 一般情況 116
5．4 注釋 121
緻謝 121
第6章 關於剛體姿態動力係統的一緻性算法 122
6．1 問題描述 122
6．2 姿態一緻性與最終角速度為零的情況 123
6．3 沒有絕對和相對角速度量測的姿態一緻性 128
6．4 姿態一緻性與最終角速度非零的情況 130
6．5 仿真結果 131
6．6 注釋 139
緻謝 139
第7章 相對姿態保持與基準姿態跟蹤 141
7．1 相對姿態保持 141
7．1．1 時不變相對姿態與最終角速度為0 141
7．1．2 時變相對姿態和時變角速度 142
7．2 基準姿態跟蹤 143
7．2．1 剛體姿態由歐拉參數錶示的基準姿態跟蹤 143
7．2．2 剛體姿態由修正Rodriguez參數錶示的基準姿態跟蹤 149
7．3 仿真結果 151
7．4 注釋 154
緻謝 156
第8章 基於一緻性的分布式多航行體協同控製設計方法 157
8．1 引言 157
8．2 協同控製問題中的耦閤 159
8．2．1 目標耦閤 160
8．2．2 局部耦閤 160
8．2．3 全局耦閤 161
8．2．4 時變耦閤 162
8．3 具有最優協同目標的分布式協同控製方法 162
8．3．1 協同條件和協同目標 163
8．3．2 協作變量和協作函數 164
8．3．3 集中式協同方案 165
8．3．4 建立一緻性 166
8．4 沒有最優協同目標的分布式協同控製方法 168
8．4．1 由編隊級（group-level）基準狀態構成的協作變量 169
8．4．2 由航行體狀態構成的協作變量 171
8．5 文獻評述 173
8．5．1 編隊隊形控製 173
8．5．2 多個UAV的協同 176
8．6 本書後續內容 177
8．7 注釋 178
緻謝 178
第9章 多輪式移動機器人的集結和軸嚮校準 179
9．1 試驗平颱 179
9．2 試驗運行 180
9．3 試驗結果 183
9．3．1 集結問題 183
9．3．2 軸嚮校準問題 188
9．3．3 已得到的經驗 189
9．4 注釋 190
緻謝 190
第10章 擁有虛擬領航者的多輪式移動機器人分布式隊形控製 191
10．1 分布式編隊隊形控製體係結構 191
10．2 在多機器人平颱上的試驗結果 195
10．2．1 試驗平颱和試驗運行 196
10．2．2 具有單個子編隊領航者的編隊隊形控製 198
10．2．3 具有多個子編隊領航者的編隊隊形控製 200
10．2．4 具有時變子編隊領航者和時變通信拓撲的編隊隊形控製 201
10．3 注釋 202
緻謝 202
第11章 關於輪式移動機器人編隊機動的分散行為方法 204
11．1 問題描述 204
11．2　編隊機動 207
11．3　編隊控製 209
11．3．1　耦閤動力係統編隊控製 210
11．3．2　基於無源化機器人阻尼的耦閤動力係統編隊控製 212
11．3．3　飽和控製 214
11．4　實物試驗 217
11．5　注釋 221
緻謝 221
第12章 太空航天器的編隊飛行 222
12．1 問題描述 222
12．1．1 基準坐標係 223
12．1．2 每艘航天器的期望狀態 223
12．1．3 航天器動力係統 225
12．2 采用虛擬構造物方法的分散化體係結構 225
12．2．1 集中式體係結構 226
12．2．2 分散體係結構 226
12．3 編隊分散控製策略 230
12．3．1 關於每艘航天器的編隊控製策略 230
12．3．2 關於每個實例化虛擬構造物的編隊控製策略 231
12．3．3 收斂分析 234
12．3．4 討論 237
12．4 仿真結果 239
12．5 注釋 244
緻謝 244
第13章 多架空中無人航行體對火災的協同監測 246
13．1 問題描述 246
13．2 關於單UAV的火綫跟蹤 249
13．3 編隊協同跟蹤 250
13．3．1 埋藏時間最小化 251
13．3．2 分布式火災監視算法 253
13．4 仿真結果 257
13．4．1 火災模型 257
13．4．2 火綫跟蹤 258
13．4．3 協同跟蹤 259
13．5 注釋 263
緻謝 263
第14章 多架空中無人航行體協同監視問題 264
14．1 試驗測試床 264
14．2 分散式協同監視 267
14．2．1 解決方法 269
14．2．2 分散協同識彆問題的仿真結果 270
14．2．3 集中式相繼攝像與集中式協同識彆問題的飛行試驗 273
14．3 注釋 276
緻謝 277
附錄 278
參考文獻 293

前言/序言

《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》 圖書簡介 在現代軍事、科學探索、公共安全以及商業物流等眾多領域，多航行體（如無人機、無人車、無人船、水下機器人等）協同作業正日益成為提升效率、拓展能力的關鍵技術。這些獨立的航行體若能通過智能化的交互與協調，形成一個有機整體，便能執行遠超單體航行體所能完成的任務。而“分布式一緻性”（Distributed Consensus）作為實現這種協同作業的核心機製，在多航行體係統的研究與應用中扮演著舉足輕重的角色。 本書《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》便聚焦於此，深入探討分布式一緻性理論在多航行體協同控製領域的構建、分析與實現。本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的視角，理解分布式一緻性如何在缺乏中心化指令下，使得多航行體能夠自發地就某些關鍵狀態（如位置、速度、姿態、任務參數等）達成一緻，從而實現預期的群體行為。 第一部分：分布式一緻性理論基礎 本書的開篇，我們從分布式一緻性的基本概念入手，為後續的深入探討奠定堅實的理論基礎。我們將首先界定什麼是分布式一緻性，以及它與集中式控製的根本區彆。在此基礎上，我們將深入剖析實現分布式一緻性的關鍵要素，包括： 通信拓撲結構（Communication Topology）： 航行體之間信息交換的結構至關重要。本書將詳細介紹各種常見的通信拓撲，如固定拓撲、切換拓撲、動態拓撲，以及它們的優點、缺點以及對一緻性達成的影響。我們將探討圖論中的概念，如連通性、擴張性等，來分析網絡結構的魯棒性和效率。 耦閤律（Coupling Rules）/更新規則（Update Rules）： 這是分布式一緻性算法的核心。我們將介紹不同類型的耦閤律，包括基於局部平均的規則，以及更復雜的基於狀態估計算法。我們將分析這些規則的收斂性、收斂速度以及對噪聲和延遲的敏感性。 代理（Agent）/節點（Node）模型： 深入理解構成多航行體係統的基本單元。我們將討論理想化模型（如積分器模型、一階/二階動力學模型）以及更貼近現實的非綫性動力學模型，並分析這些模型如何影響一緻性算法的設計與分析。 信息交換與數據融閤（Information Exchange and Data Fusion）： 探討航行體之間如何安全、高效地交換信息，以及如何利用接收到的信息來更新自身的狀態。我們將涉及異步通信、信道噪聲、丟包等實際通信環境下的挑戰。 一緻性問題的分類： 區分不同類型的一緻性問題，例如： 狀態一緻性（State Consensus）： 所有航行體就某個狀態量（如位置、速度）達成一緻。 輸齣一緻性（Output Consensus）： 所有航行體就其輸齣量（如期望控製信號）達成一緻。 領導者-跟隨者一緻性（Leader-Follower Consensus）： 部分航行體（領導者）設定目標，其餘航行體（跟隨者）通過分布式交互趨近領導者的狀態。 分布式優化（Distributed Optimization）： 在保持一緻性的同時，實現對全局成本函數的分布式優化。 在理論部分，我們將運用現代控製理論中的數學工具，如綫性係統理論、圖論、概率論、優化理論等，對所提齣的分布式一緻性算法進行嚴格的數學證明，包括收斂性、魯棒性以及性能分析。 第二部分：分布式一緻性算法的設計與分析 在掌握瞭理論基礎後，本書將重點轉嚮分布式一緻性算法在多航行體係統中的具體設計與分析。我們將從理論層麵構建多種適用於不同場景的一緻性算法，並對其性能進行深入評估。 基於觀測器的分布式一緻性算法（Observer-based Distributed Consensus）： 針對航行體感知能力有限或傳感器信息存在不確定性的情況，我們將設計基於分布式觀測器的算法，使得航行體能夠估計其他航行體的狀態，並在此基礎上實現一緻性。 基於預測的分布式一緻性算法（Predictive Distributed Consensus）： 考慮航行體未來的運動軌跡和潛在的通信延遲，設計能夠提前預測並調整策略的分布式一緻性算法。 魯棒分布式一緻性算法（Robust Distributed Consensus）： 針對通信噪聲、傳感器故障、執行器不確定性等外部乾擾，設計能夠抵抗這些乾擾並仍能保證一定性能的一緻性算法。我們將引入魯棒控製的一些概念，如H∞控製、滑模控製等。 有限時間/固定時間分布式一緻性算法（Finite-time/Fixed-time Distributed Consensus）： 在許多實際應用中，希望航行體能快速達到一緻性。本書將探討如何設計在有限時間內或固定時間內實現一緻性的算法，以提高係統的響應速度。 分布式一緻性與避障的結閤（Distributed Consensus with Obstacle Avoidance）： 航行體在執行任務的同時，通常需要規避障礙物。本書將探討如何將分布式一緻性算法與分布式避障算法相結閤，實現協同避障並保持群體一緻性。 分布式一緻性與路徑規劃的結閤（Distributed Consensus with Path Planning）： 協同路徑規劃是多航行體協同任務的核心。本書將研究如何利用分布式一緻性理論來實現多航行體在不同環境下的協同路徑規劃。 分布式一緻性與任務分配的結閤（Distributed Consensus with Task Allocation）： 麵對復雜的多航行體任務，如何進行高效的分布式任務分配，並保證在任務執行過程中航行體能夠保持協同，是另一項重要課題。本書將深入探討這方麵的研究。 在算法設計過程中，我們將特彆關注算法的計算復雜度、通信開銷以及實現的可行性，以期為實際工程應用提供有效的解決方案。 第三部分：多航行體協同控製中的應用 分布式一緻性理論不僅是學術研究的課題，更是解決實際多航行體係統挑戰的關鍵。本書的第三部分將聚焦於分布式一緻性在各類多航行體協同控製應用中的具體展現。 編隊控製（Formation Control）： 無論是在空中、地麵還是水下，保持穩定的編隊飛行/行駛是許多任務的基礎。我們將介紹如何利用分布式一緻性算法實現任意形狀的動態編隊，以及如何在編隊中引入避障和目標跟蹤能力。 協同目標跟蹤（Cooperative Target Tracking）： 在監視、搜索救援等任務中，多個航行體需要協同跟蹤一個或多個移動目標。本書將探討如何通過分布式一緻性協調各航行體的運動，實現高效且魯棒的目標跟蹤。 分布式環境感知與態勢理解（Distributed Environmental Perception and Situational Awareness）： 多個航行體可以分布式地采集環境信息，並通過一緻性算法融閤這些信息，形成對全局環境的全麵感知和態勢理解。我們將討論如何實現分布式的地圖構建、目標識彆與定位等。 協同覆蓋與搜索（Cooperative Coverage and Search）： 在區域監控、勘探等任務中，航行體需要協同覆蓋指定區域或搜索特定目標。本書將研究如何設計分布式一緻性算法，使得航行體能夠高效地完成覆蓋與搜索任務，並避免冗餘和遺漏。 分布式裝配與協作（Distributed Assembly and Collaboration）： 在一些前沿的科研和工程領域，例如太空中的分布式裝配，可能需要多個航行體通過協同操作完成復雜的組裝任務。本書將探討分布式一緻性在該類任務中的潛在應用。 無人集群的分布式決策與控製（Distributed Decision-Making and Control for UAV Swarms）： 麵對復雜的、動態變化的環境，無人集群需要具備自主的、分布式的決策能力。本書將討論如何通過一緻性算法支持集群的分布式決策，例如在麵對不確定性或突發情況時的群體響應。 多智能體係統的互操作性（Interoperability of Multi-Agent Systems）： 隨著不同類型、不同廠商的航行體越來越多地被部署，如何實現不同係統之間的協同作戰是一個重要挑戰。本書將探討分布式一緻性在提升係統互操作性方麵的作用。 在每個應用場景的討論中，我們都將強調分布式一緻性理論如何被轉化為可行的控製策略，並結閤實際案例分析其優勢和局限性。 本書特色 理論與實踐緊密結閤： 本書不僅深入探討瞭分布式一緻性的理論基礎，更關注其在實際多航行體係統中的應用，力求理論的嚴謹性與應用的實用性並重。 內容全麵深入： 覆蓋瞭分布式一緻性理論的多個方麵，包括拓撲結構、耦閤律、算法設計，以及在不同應用場景下的具體實現。 麵嚮讀者廣泛： 適用於從事機器人學、控製理論、人工智能、航空航天工程、計算機科學等領域的研究人員、工程師、研究生以及對多航行體協同技術感興趣的讀者。 數學工具嚴謹： 采用嚴謹的數學方法進行理論分析和算法證明，為讀者提供堅實的理論支撐。 前沿性與發展性： 涵蓋瞭當前分布式一緻性研究的前沿方嚮，並對未來的發展趨勢進行瞭展望。 《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》一書，將是您理解和掌握這一關鍵技術的寶貴參考。通過本書的學習，讀者將能夠深入理解分布式一緻性在驅動多航行體係統走嚮智能化、自主化和高效化方麵的核心作用，並能將其應用於解決更廣泛、更復雜的工程問題。

評分☆☆☆☆☆

這本書的書名一下子就吸引瞭我，"多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用"。雖然我對具體的技術細節還沒有深入瞭解，但光是這個題目就勾勒齣瞭一個極具想象力的畫麵：一群智能體，可能是無人機、潛艇，甚至是未來的太空探測器，如何在復雜的環境中，不依賴中心指揮，而是通過自身之間微妙的交流與協作，達成一個共同的目標。這就像一群受過良好訓練的舞者，雖然各自獨立，卻能隨著音樂的節奏，無縫地配閤，完成一麯宏偉的舞蹈。我很好奇，書中會如何解釋這種“分布式一緻性”，它是一種算法？一種通信協議？還是一種全新的控製哲學？“理論與應用”的結閤也讓我充滿期待，這意味著它不僅會探討深奧的數學模型和證明，還會展示這些理論是如何落地，如何在真實的場景中解決實際問題的。想想看，如果無人機編隊能夠自主完成偵察任務，或者水下機器人群能夠協同勘探深海，那將是多麼激動人心的景象。我希望能在這本書中找到關於如何設計這些智能體、如何讓它們學會“溝通”和“理解”彼此的奧秘，以及它們在現實世界中可能扮演的各種角色。這本書的名字本身就帶有一種前瞻性和科技感，仿佛預示著一個更加智能、更加自主的未來。

評分☆☆☆☆☆

從一位對復雜係統建模和仿真感興趣的科研工作者的角度來看，《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》這個書名本身就代錶瞭一個充滿挑戰和魅力的研究方嚮。我主要關注的是如何構建一個精確且高效的模型來描述和預測多智能體係統的行為，特彆是當這些智能體需要剋服個體局限，通過相互作用達成全局目標時。“分布式一緻性”的概念，在我看來，就是解決這種協同問題的核心。它意味著係統的每一個組成部分（航行體）都能夠通過局部的信息交換和計算，貢獻於一個全局的狀態或行為的統一。這與傳統的集中式控製截然不同，後者通常需要一個強大的中央處理器和穩定的通信鏈路。我特彆好奇書中會采用什麼樣的數學工具來描述這種“一緻性”，是基於圖論的邊際動力學，還是基於優化理論的分布式梯度下降，抑或是其他更加新穎的方法？“理論與應用”的字樣也錶明，這本書不會僅僅停留在抽象的數學推導，而是會深入到實際的應用層麵，這對我來說至關重要。我希望能在這本書中找到如何將這些理論模型轉化為可部署的控製策略，並對這些策略的性能進行評估的方法，例如在不同類型的網絡拓撲、通信延遲和乾擾下，係統的收斂速度和精度。

評分☆☆☆☆☆

作為一名軍事科技領域的愛好者，這本書的題目《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》無疑點燃瞭我的好奇心。我想象著，在未來的戰場上，不再是少數幾架高級裝備孤軍奮戰，而是大量的無人機、無人車、無人艇甚至水下機器人，能夠像一個有生命的整體一樣，協同作戰。這種“分布式一緻性”聽起來就像是讓這些裝備具備瞭“集體智慧”，能夠根據戰場瞬息萬變的態勢，自行做齣最優的協同決策，而無需依賴一個可能被摧毀的指揮中心。例如，一個無人機蜂群，在執行偵察任務時，能夠自主地分配搜索區域，避免重復，並能在發現目標後，迅速、高效地將信息共享給所有成員，甚至協同執行攻擊任務。這種能力對於提升軍事行動的效率、降低單兵作戰風險具有劃時代的意義。我非常想知道，書中會如何從數學和算法層麵來闡述這種“分布式一緻性”的原理，例如，如何設計一種算法，讓這些航行體在通信受限、節點可能失效的情況下，仍然能夠保持“同步”？又比如，如何確保這種協同行為的魯棒性和安全性？“理論與應用”的定位也讓我對書中可能包含的實際案例分析或者仿真模擬充滿瞭期待，我希望能看到這些理論如何在具體的軍事場景中得到驗證和應用。

評分☆☆☆☆☆

我是一名軟件工程師，一直對“分布式係統”和“人工智能”這兩個領域非常感興趣，而這本書的書名《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》恰好擊中瞭我的“興趣點”。我猜想，這本書的核心在於解決一個非常棘手的問題：當大量的自主設備（即“多航行體”）需要協同工作時，如何讓它們在沒有任何中央控製的情況下，也能保持步調一緻，朝著同一個方嚮前進，或者完成一個集體任務。這就像在一個大型團隊項目中，每個人都有自己的任務，但最終需要有一個統一的成果。書中提到的“分布式一緻性”，聽起來就像是一種讓所有個體都“同步”起來的機製，但它不是通過一個“總指揮”來發布的命令，而是通過個體之間的信息交換和相互影響來實現的。這讓我聯想到一些經典的分布式算法，比如 Paxos 或 Raft，但這本書的應用場景顯然更為具象和復雜，涉及到“航行體”這種物理實體，這意味著還需要考慮物理世界的限製、傳感器噪聲、通信延遲等等。我特彆期待書中能夠詳細闡述實現這種“分布式一緻性”的理論基礎，例如圖論、控製理論、博弈論等等，以及這些理論如何被轉化為可執行的算法。同時，“理論與應用”的結閤意味著我不僅能學到“為什麼”，還能學到“怎麼做”，這對於我這種喜歡動手實踐的人來說，是極具吸引力的。

評分☆☆☆☆☆

作為一名對機器人技術和人工智能交叉領域充滿熱情的學生，這本書的題目《多航行體協同控製中的分布式一緻性：理論與應用》讓我眼前一亮。在我看來，未來很多智能設備的進步，都離不開群體協作的能力，而“分布式一緻性”正是這種協作的基石。我設想，這本書會帶領我走進一個由多個獨立但相互關聯的“航行體”（比如水下機器人、無人機或者地麵漫遊車）組成的智能網絡。它們之間沒有明確的領導者，也沒有中央控製站，但卻能夠通過彼此之間的“對話”和“學習”，達成一個共同的目標。這就像一群螞蟻，各自獨立地尋找食物，但最終卻能協同搬運食物迴巢。我特彆好奇書中會如何解釋這種“分布式”的“一緻性”，是如何做到在信息不對稱、通信可能中斷的情況下，讓所有個體都能夠“知道”並“朝著”同一個方嚮努力。它會涉及到哪些算法？是基於狀態的共享，還是基於行為的協調？“理論與應用”的結閤，讓我既能學到背後的原理，也能看到這些原理在實際中是如何發揮作用的。我希望能在這本書裏找到關於如何設計這樣的分布式控製係統，如何讓機器人學會“信任”彼此的信息，以及如何在各種復雜的現實環境中實現高效的協同，例如在復雜的海洋環境或室內復雜空間中執行任務。

評分☆☆☆☆☆

8．2．2 局部耦閤

評分☆☆☆☆☆

緻謝

評分☆☆☆☆☆

12．1．3 航天器動力係統

評分☆☆☆☆☆

8．2 協同控製問題中的耦閤

評分☆☆☆☆☆

12．1．2 每艘航天器的期望狀態

評分☆☆☆☆☆

4．1．2　切換通信拓撲下的收斂性分析

評分☆☆☆☆☆

5．2．1 鄰裏航行體之間的信息狀態導數相互耦閤時的一緻性

評分☆☆☆☆☆

2．3．1　采用連續時間算法的一緻性

評分☆☆☆☆☆

12．1．1 基準坐標係