致谢 49

参考文献 50

附录 52

第一章 绪论

1。1 AUV 研究的意义和目的

地球的表面有 70。8%的面积覆盖着海洋，多于陆地面积的二倍。在这广阔无 垠的海洋空间中，储藏着极其丰富的生物资源，海洋矿物和海洋能源，海洋的开 发和利用将在未来人类社会中占据重要的地位。AUV 是人类探测和开发海洋的 重要工具，将在这一领域发挥越来越大的作用。[1]

随着社会的发展和进步，人类面临着人口膨胀和生存空间缩减，陆地资源的 枯竭和物质需求的增加，生态环境恶化和人类社会发展的三大矛盾的挑战。因此， 对于海洋的开发刻不容缓。由于面对我国人口基数大，人均资源极其匮乏这样的 国情，海洋开发更是不可避免的抉择。因此，对于 AUV 的研究和开发工作，将 对未来中国乃至整个人类的可发挥着重要作用。

图 1-1 用于战争的 AUV

未来的战争将更加趋向于无伤亡，这就使得具有无人控制系统的武器备受重 视，且其在未来战争中的地位将显著提高。AUV 可以自主完成水下作业任务， 无需人工的操作和控制。倘若以基地或者航母为依托，AUV 可以完成水下数十 米甚至上百米的探测任务，必要时甚至可以作为武器袭击敌舰。AUV 还可以按 照预定路线到达指定位置，并且在指定位置停留较长时间，完成对危险区域的探 测和攻击，极其有效的减少士兵的伤亡，战争的成本将大大减小。已经研发的用 于战争的 AUV 如图 1-1 所示。

图 1-2 用于搜索马航黑匣子的蓝鳍金枪鱼

此外，水下机器人还可以应用于还可以应用于水下搜救，寻找失事航行器的 黑匣子的工作。由于水下机器人具有下潜深度深，探测区域广，以及可以自主工 作等优点，可以更高效，更安全，成本更低的完成这些工作。另外，海洋还埋藏 着大量的古代的文物，以前由于技术的限制，人类只能望洋兴叹，然而，随着水 下机器人的大量应用，海底考古已经不是一个遥不可及的梦。如图 1-2，为我国 用于马航搜素黑匣子的金枪鱼号。

1。2 AUV 国内外研究现状

1。4 本文的主要研究内容

1。定义和建立 AUV 的静止坐标系和运动坐标系，推导 AUV 的系统空间运动 模型。

2。介绍和研究动力定位控制技术的特点，根据研究对象选择动力定位控制方 法和思路，并利用潜器的动力学和运动学模型，通过简化和变形推导出动力定位 控制所需的控制模型。

3．研究 AUV 水下动力定位控制的仿真和试验。利用 MATLAB 平台对控制 模型进行仿真验证，并且得出结论。

第二章 AUV 的运动模型

2。1  引言

水下机器人是一个复杂的系统，为了实现对水下机器人运动的控制，需要首 先对这个系统进行深刻的有效的认识，即对这个系统进行建模。

首先，我们要采用如下假设[3]：

（1）AUV 是一个刚体。

（2）考虑重心加速度分量时要忽略地球自转对于 AUV 的影响。

（3）流体的动力系数和参数都是常量。

（4）在船体上外力主要是惯性力，动力，流体静力，重力。 本章的主要工作有：

（1）AUV 的运动模型的坐标系的定义。

（2）建立 AUV 的动力学和运动学模型。

（3）推导出作用在 AUV 上的复杂的环境扰动的表达式。

（4）建立推力模型。

（5）建立 AUV 在复杂环境的 6 自由度表达式。