1.目的及意义

1.1背景及国内外研究现状

1.1.1水下自主航行器AUV相关背景

海洋，一个全球性的巨大水体，蕴含着丰富的能量及物产资源，波浪、潮汐等能量资源取之不尽，渔业、水产及矿物资源用之不竭，覆盖地球70%以上的表面积，全球气候的巨大调节器，被视作地生文明的发祥地。随着陆地资源日趋减少，人们汲取自然资源的视角已伸向蔚蓝的大海，新世纪更是被看做全面开发和利用海洋的新世纪，新的技术、新的手段不断涌现，海洋的开发和利用已成为人们争夺自然资源，破解能源危机的新战场[1,2]。各国也都相继加大了对海洋科学和技术研究的支持力度，海洋经济和海洋科学技术的发达程度已成为衡量沿海国综合国力的一个重要指标，特别是未来各国军事实力的较量势必会在广阔的海洋上角逐，更促使各国纷纷涌向海洋科学技术的研究[3,4]。地球，或许应该说她是一个巨大的―水球‖，各大洋一脉相承，紧紧相连构成统一的世界大洋，仅有的大陆被海洋分割的七零八落。蔚蓝的水体中，水资源、矿产资源、生物资源及能量资源蕴藏丰富，石油储备高达1350亿吨，天然气总量达140万亿立方米，渔业资源种类繁多，数量巨大，波浪及潮汐等能量资源无不尽有。海洋不仅盛产自然资源，还参与着陆地生活的演变、生物进化、环境变迁、气候演变、地震的产生与消亡等。近年来，海底地震、海啸、特大风暴频发，全球变暖，恶劣气候增多等异常现象也在不断向我们昭示，保持对大自然的一份敬畏，合理利用和开发海洋是人类可持续发展的必经之路[5,6]。

为了更好更合理的开发和利用海洋，需要人类对海洋的性质、变化规律、演变特征加以研究，研究不同海域的温度、盐度、深度、酸碱度及生物群落的变化规律，研究海底地形、地貌、岩石及底土的形成及消亡机制，研究海洋与大气环流的相互作用等。科学研究离不开先进的海洋观测技术及观测设备，海洋观测技术是人类探海、识海、用海的基础，是资源开发、利用、维护的先决保障，先进的海洋观测设备是人类亲近海洋触角的延伸，是建设海洋强国的有利支撑。加快推进发展海洋观测技术已成为各沿海国的共识，海洋观测技术的发达程度决定了获取海洋环境参数的时效性、准确性。由于海洋呈现出幅员辽阔的立体空间，海洋环境参数变化频繁，海洋现象具有空间大尺度和时间大尺度的特征，因此要求海洋环境观测技术要具备长时序、广范围的实时性立体观测能力[7]。当前海洋观测技术主要由空基观测、海表观测、海洋水体立体观测、底层观测等。空基观测一般是采用卫星、航空遥感及无人机的方式观测海洋表层水温、盐度、风浪、污染物及表层海水的大尺度运动等；海表观测一般采用浮标、表漂、调查船等，主要观测海洋表层或海表以下有限深度内的海洋环境参数、生物群落分布、表层海流、波浪等；海洋水体立体观测一般是利用能在海水中自主移动的水下潜器进行海洋水体纵垂面及横切面上的观测，其不仅能观测海水表层还能在水体自主上浮及下潜进行海洋水体的切面观测，主要观测手段有Argo浮标、ROV、AUV、Underwater Glider以及载人或无人潜器等；底层观测主要采用海洋底层原位测量的方式，通常观测仪器在数据采集时沉于海底，任务执行结束后进行回收，处理采集的数据，一般底层观测手段有海床基、坐底潜标及新兴的坐底观测机器人等[8-11]。随着海洋观测技术的发展，新的观测手段及观测设备不断涌现，海洋观测呈现出立体化、实时化、网络化、多元化的发展趋势[12]。传统的观测方式有其自身的特点和优势、但也存在人力物力消耗大、受海况影响严重等缺点，当前迫切需要一种低成本、长时序的自主观测技术，在各种观测方式优势互补的基础上提升我国海洋观测能力。

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）是一种自带能源、自主推进、自主控制，具有水下操控及感知作业能力的新型海洋监测设备[13,14]，是先进制造技术、信息技术、声学及传感器技术相融合的高技术仪器，其观测范围大、效率高、成本低，运动可控、机动性能好、续航力强、效率高，可脱离母船自主作业。随着近几年观测技术的发展，自主水下航行器平台越来越智能化、小型化、功能多样化，续航力也越来越高，航程越来越大[13-16]。

1.1.2水下航行器的分类

水下机器人的构造、动作原理、使用目的多种多样，按照不同分类方法可分类如下：

(1)按用途可分为作业用、计测用和测量用水下机器人。作业用水下机器人多带有机械手，用于海中救援、打捞、电缆敷设、海洋石油及其他生产系统的操作维修等水下作业。观测用水下机器人与作业用基本相同，但它主要用于测定所要调查对象的参数。测量用水下机器人则是利用照相机、摄像机、声纳等观测海底地形、地貌或搜寻水下沉物。

(2)按运动方式可分为浮游式、履带式和步行式水下机器人。浮游式水下机器人呈零浮力（或稍有一点正浮力），依靠所装的推进器在水下做三维空间运动。履带式水下机器人多用于海底施工，利用步行机构在海底行走的步行机器人正处于研制阶段[17]。