自主水下航行器开发与仿真

2万 · 2019-7-10 10:33

自主水下航行器

2万 · 2019-7-10 10:33

2万 · 2019-7-10 10:34

2万 · 2019-7-10 10:34

2万 · 2019-7-10 10:35

2万 · 2019-7-10 10:35

2万 · 2019-7-10 10:35

2万 · 2019-7-10 12:11

早在19世纪70年代，AUV就已经开始发展了。随着计算机性能的不断提
升，AUV也被赋予了更多的任务和使命并且实现了完全的自动化。AUV的设计
大致有鱼雷状的，滑翔机和悬停型的，重量从便携的到几百吨不等。AUV被用
来执行各种各样的任务，包括海底地形的探测，军事用途，海洋深度数据的收集
以及河湖的坏境监测等fll0
AUV的研究最初是为了完成ROV难以完成的任务，AUV不像ROV可以使
用脐带缆实现远距离操控，由于它所处的水下环境很复杂，不能直接使用GPS,
所以自主导航成为一个很大的难题。而飞行器不同，因为它是在空中的，所以可
以直接使用GPS导航。由于AUV不受缆绳的限制，活动范围比较大，能够到达
冰层下、深海等非常危险的地方作业，并且能装载一些高精度的仪器进行近距离
的观测。如果AUV想成功完成一个特定的任务，就必须尽可能精确的沿着规划
的路线到达目的地，采集数据后返回母船。如果AUV定位不准确，计划收集的
数据会不准确，不能完成预定的任务，甚至AUV有可能会丢失。现有的技术能
够支持AUV完成大多数的科研任务，但是在一些需要更高导航精度的特殊环境
中作业还是一个很大的挑战。

2万 · 2019-7-10 12:12

AUV导航需要克服的关键技术之一是如何在长时间的任务执行中保持导航
的精度在一个可接受的范围内，虽然刚开始的精度会很高，但是在AUV运动一
段时间后误差会不断积累。在海里强大的海流和复杂的地形都会影响AUV的运
动，任何能够在长时间提供高精度导航的导航系统都肯定使用了一个外部的参照

2万 · 2019-7-10 12:13

自主水下航行器作为一种高技术手段，在海底这块人类未来极具价值的发展
空间中起着至关重要的作用，发展AUV的意义显而易见，但是目前人们获取海
洋数据的方式是昂贵的。
由于陆地上的资源越来越少，海洋的资源又没有被开发，所以各个国家对海
洋越来越重视。探索和开发海洋资源非常困难，AUV作为一种水下航行器在该
领域有它特有的优势。但是由于涉及到军事和海洋权益，这项技术只是被少数国
家掌握，有很高的机密性，其重要性是毋庸置疑的。

2万 · 2019-7-10 12:13

人类探索海洋已经有几十年，而且也有一定的技术积累，但多数都是在西方
国家手中，无论是在水下航行器的作业的深度和宽度上都又非常大的突破。
以美国为例，美国作为一个海洋强国在无人潜航器上的研究是走在世界的前
列的，并且在2005年还颁布了海军的无人潜航器计划，该计划表明了美国海军
在方向的研究方向，强调了九个重点能力，包括:谍报/监视/侦察能力、水雷对
抗能力、反潜战能力、检测/辨别能力、海洋学能力、通信、导航网络节点能力、
有效载荷发送能力、信息战能力以及时敏打击能力。
而且美国非常注重高校在该方面的研究，主要成就有麻省理工学院的
Odyssey系列，佛罗里达亚特兰大大学的Ocean voyager II，美国海军研究生院的
Aries等[[4]a

2万 · 2019-7-10 12:14

2万 · 2019-7-10 12:14

由于海洋占地球表面积的71%，拥有丰富的生物资源和矿产资源，而水下航
行器是探索海洋领域的重要平台之一，因此发展水下航行器具有重要的军事价值
及产业化、商业化前景。而今其相关技术己成为世界大国中一项重要和积极研发
的领域，导航技术是水下航行器设计的关键技术之一，它可以在执行任务时提供
位置、姿态等导航信息，关系到作业的成功与否，甚至影响水下航行器的安全与
生存。
目前为止有许多可以应用于水下的导航技术，包括多普勒计程仪、超短基线、
短基线、视觉导航等，但是最常用还是惯性导航、声学导航、以及它们的组合方
式，下面就一些常用的导航方式及国内外研究现状做简单的介绍。

2万 · 2019-7-10 12:15

2万 · 2019-7-10 12:38

BLLJEFIN-12是一款高性能小型AUV配备的导航系统主要包括:磁罗经、
惯性导航系统(INS: Inertial Navigation System)或姿态和航向参考系统等。该
款ATJV的在注重硬件设备的同时，一直致力于导航算法的开发，算法可以有效
的消除传感器误差和海底环境的干扰，对导航系统精度的提高起到了举足轻重的
作用。
SINS ( Strap-down Inertial Navigation System ) /DVL组合导航系统是目前广
泛被采用的效果较好的水下导航系统。AHRS/DVL组合导航技术在水下导航系
统应用已经非常成熟了，AHRS在使用过程中会产生很大的积累误差，而DVL
在一定程度上有效的抑制了这一缺点，最终获得较高的导航精度。如丹麦的
Maridan A/S公司和美国Kearfott公司联合研制的MARPOS AHRS/DVL水下定位
系统，其导航定位精度可以达到总航程的0.03%。挪威Kongsberg Maritime公司
开发的HLJGIN3000水下航行器以及在此基础上开发的HUGIN 1000，以AHRS
和DVL作为主要的导航设备，在商业领域和军事领域都得到了成功的应用Ili1a
另外，随着MEMS技术的发展，一些小型AUV水下导航系统也开始采用微型
惯性测量单元、磁强计以及DVL组成导航系统。由于现有的高精度惯性测量元
器件价格都非常的昂贵，又因为MEMS技术的不断提高，应用基于MEMS惯性
元器件的组合导航系统越来越多。

2万 · 2019-7-10 12:38

2万 · 2019-7-10 12:38

2万 · 2019-7-10 12:39

2万 · 2019-7-10 12:39

国内对水下导航系统的研究还处在初始阶段，还没有比较成熟的产品。研究
比较早的是哈尔滨工程大学的水下机器人实验室，该实验室搭建的组合导航系统
是由速度计、光纤罗经、深度计、GPS等组成，该载体同时还搭载了摄像头、图
像声纳，可以进行目标搜索和避碰导航，并在“试验一1”号水下机器人平台进行
了导航实验，验证了其可行性和适用性[6J0

2万 · 2019-7-10 12:40

惯性导航系统通常分为捷联惯导系统和平台惯导系统。惯导系统是一种不依
赖于任何外界信息、同时也不向外界辐射能量的自主导航系统，具有隐蔽性好、
适用性好等特点。
捷联惯性导航系统是从平台式惯性导航系统发展过来的，它是一种无框架系
统，由三轴陀螺仪、三轴加速度计和微型计算机组成。捷联惯导系统原理方框图
如图2-l o
捷联式惯导对于平台式惯导系统有如下几个优点:
(1)整个系统的体积和成本大大降低;
(2)惯性仪表便于安装、维护和更换;
(3)能够提供更多的导航和制导信息;

自主水下航行器开发与仿真

技术奇才奖章

伴坛终老