想象一下在夜深人靜的時(shí)候在雷區(qū)中航行，敵方潛艇潛伏在深處。在這種高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境中，自主水下航行器 (AUV) 正在證明自己的價(jià)值。
這些機(jī)器人探險(xiǎn)家徹底改變了海軍行動(dòng)，為水下戰(zhàn)爭(zhēng)提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。但是，這些 AUV 如何在 GPS 不起作用、每個(gè)角落都潛伏著危險(xiǎn)的危險(xiǎn)深處航行呢？
自主水下航行器 (AUV) 正在徹底改變海洋探索和研究，使科學(xué)家和研究人員能夠以以前不可能的方式探索海洋深處。
從繪制海底地圖到監(jiān)測(cè)海洋生物和檢查水下基礎(chǔ)設(shè)施，AUV 在復(fù)雜的水下環(huán)境中獨(dú)立運(yùn)行。 AUV 操作最關(guān)鍵的方面之一是導(dǎo)航，由于水下缺乏傳統(tǒng)的 GPS 信號(hào)，導(dǎo)航帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。
在這篇文章中，我們將探討 AUV 中使用的各種導(dǎo)航方法、它們面臨的挑戰(zhàn)以及水下導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步。
為什么 AUV 導(dǎo)航具有挑戰(zhàn)性 由于以下幾個(gè)因素，水下導(dǎo)航本質(zhì)上比陸地或空中導(dǎo)航更加困難：
? 缺乏GPS： GPS信號(hào)不能很好地穿透水，這意味著AUV不能像陸地或空中航行器那樣依賴衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
? 信號(hào)失真：水，尤其是鹽水，會(huì)衰減電磁信號(hào)，使基于無(wú)線電和雷達(dá)的導(dǎo)航方法失效。
? 動(dòng)態(tài)環(huán)境：水下環(huán)境不斷變化，有海流、潮汐和變化的地形，這使得精確導(dǎo)航成為一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。
由于這些挑戰(zhàn)，AUV 依靠創(chuàng)新技術(shù)的組合來(lái)準(zhǔn)確確定其位置、速度和方向。
可用的多種導(dǎo)航技術(shù)使 AUV 能夠適應(yīng)各種水下任務(wù)和環(huán)境。根據(jù)具體要求，AUV 可以結(jié)合使用這些方法來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的定位和導(dǎo)航能力。
| 導(dǎo)航技術(shù) | 描述 | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) |
| 慣性導(dǎo)航系統(tǒng) | 通過使用加速度計(jì)和陀螺儀測(cè)量加速度和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)跟蹤位置。根據(jù)最后已知位置計(jì)算位置。 | 獨(dú)立且不依賴外部信號(hào)，非常適合水下使用。 | 隨著時(shí)間的推移，會(huì)出現(xiàn)漂移、累積誤差，如果不定期糾正，就會(huì)導(dǎo)致定位不準(zhǔn)確。 |
| 深水層 | 使用聲納技術(shù)通過發(fā)射聲脈沖并測(cè)量返回回聲的多普勒頻移來(lái)測(cè)量 AUV 相對(duì)于海底或水柱的速度。 | 提供實(shí)時(shí)速度數(shù)據(jù)，這對(duì)于動(dòng)態(tài)環(huán)境中的導(dǎo)航至關(guān)重要。 | 精度取決于是否有堅(jiān)實(shí)的底部作為參考，因此在距離海底太遠(yuǎn)的深水中可能無(wú)法有效工作。 |
| 聲學(xué)定位 | 使用聲波確定 AUV 的位置。 LBL 系統(tǒng)使用海底轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì) AUV 的位置進(jìn)行三角測(cè)量。 | 在特定區(qū)域具有高度精確性，尤其是在策略性放置 LBL 應(yīng)答器時(shí)。 | 需要設(shè)置和維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)器網(wǎng)絡(luò)，這使得它對(duì)于大規(guī)模或公?？碧讲惶珜?shí)用。 |
| 基于聲納的 | 聲納系統(tǒng)（側(cè)掃聲納、多波束回聲測(cè)深儀）用于繪制海底地圖并探測(cè)障礙物。將這些地圖與預(yù)先存在的地圖進(jìn)行比較，以估計(jì) AUV 的位置。 | 提供周圍環(huán)境的詳細(xì)信息，可用于實(shí)時(shí)導(dǎo)航和避障。 | 取決于預(yù)先存在的地圖的質(zhì)量，并且需要強(qiáng)大的處理能力。 |
| 航位推算 | 根據(jù)最后已知的位置、速度、方向和行駛時(shí)間計(jì)算當(dāng)前位置。使用來(lái)自羅盤、速度計(jì)程儀和深度傳感器等機(jī)載傳感器的數(shù)據(jù)。 | 簡(jiǎn)單有效的短期導(dǎo)航。 | 錯(cuò)誤會(huì)隨著時(shí)間的推移而積累，導(dǎo)致長(zhǎng)期任務(wù)的不準(zhǔn)確。 |
| 磁力計(jì) | 測(cè)量地球磁場(chǎng)以幫助 AUV 保持正確的航向。提供補(bǔ)充數(shù)據(jù)，特別是在具有獨(dú)特磁性特征的區(qū)域。 | 提供基本方向所必需的航向信息。成本相對(duì)較低且易于集成。不受水體渾濁度或深度的影響?？梢酝ㄟ^檢測(cè)磁異常來(lái)幫助進(jìn)行水下測(cè)繪。 | 容易受到金屬結(jié)構(gòu)或 AUV 本身的磁干擾。精確定位的精度有限；主要提供方向信息。地球磁場(chǎng)的變化會(huì)影響精度。 |
由于單個(gè)導(dǎo)航方法的局限性，AUV通常采用組合多個(gè)系統(tǒng)的綜合方法。例如，AUV 可能使用 INS 進(jìn)行一般定位，并通過來(lái)自 DVL 或 LBL 系統(tǒng)的聲學(xué)定位數(shù)據(jù)定期進(jìn)行校正。這個(gè)過程被稱為傳感器融合，有助于減輕個(gè)體弱點(diǎn)并提高整體導(dǎo)航精度。
隨著 AUV 技術(shù)的進(jìn)步，研究人員正在開發(fā)更復(fù)雜的導(dǎo)航方法，以增強(qiáng)其能力并使其能夠在日益復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行。這些尖端技術(shù)的兩個(gè)突出例子是地形輔助導(dǎo)航 (TAN) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 的應(yīng)用。
想象一艘 AUV 滑過峽谷，其聲納創(chuàng)建周圍水下地形的詳細(xì)地圖。這就是 TAN 的本質(zhì)，其中 AUV 使用其機(jī)載聲納來(lái)“查看”水下景觀，并將其與預(yù)先存在的地圖或?qū)崟r(shí)創(chuàng)建的地圖進(jìn)行比較。通過將其觀察到的特征與地圖上的已知特征進(jìn)行匹配，AUV 可以準(zhǔn)確地確定其位置。
? 提高精度：它為 INS 和航位推算等可能隨時(shí)間漂移的其他導(dǎo)航方法提供了寶貴的校正機(jī)制。通過將聲納讀數(shù)與已知地形特征進(jìn)行比較，AUV 可以減少誤差的積累并保持更準(zhǔn)確的位置估計(jì)。
? 增強(qiáng)自主性： TAN 使 AUV 能夠在充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中更加獨(dú)立地運(yùn)行。通過依靠對(duì)周圍地形的感知，他們可以在不依賴外部信號(hào)或預(yù)先部署的基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行導(dǎo)航。
? 增強(qiáng)安全性： TAN 可以幫助 AUV 避免與水下障礙物發(fā)生碰撞。通過識(shí)別巖石、珊瑚礁或沉船等特征，AUV 可以調(diào)整其航向，以在復(fù)雜的環(huán)境中安全航行。
機(jī)器學(xué)習(xí)正在給許多領(lǐng)域帶來(lái)革命性的變化，AUV 導(dǎo)航也不例外。通過利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法的力量，AUV 可以從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)并適應(yīng)不斷變化的條件，使它們成為更加智能和高效的探索者。
? 預(yù)測(cè)導(dǎo)航：機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分析大量數(shù)據(jù)，包括洋流、潮汐和天氣模式，以預(yù)測(cè)這些因素將如何影響 AUV 的軌跡。這使得 AUV 能夠預(yù)測(cè)挑戰(zhàn)并相應(yīng)地調(diào)整其航向，從而提高效率并減少能耗。
? 自適應(yīng)控制：機(jī)器學(xué)習(xí)可以使 AUV 適應(yīng)其控制系統(tǒng)，以響應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件。例如，如果 AUV 遇到強(qiáng)流或湍流，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以調(diào)整車輛的推進(jìn)器和控制面以保持穩(wěn)定性和航向。
? 避障： ML可以增強(qiáng)AUV檢測(cè)和避障的能力。通過在水下圖像和聲納數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練算法，AUV 可以學(xué)習(xí)識(shí)別和分類不同類型的物體，例如巖石、海洋生物或人造結(jié)構(gòu)，從而使它們能夠安全地穿過雜亂的環(huán)境。
? 傳感器融合： ML 可以優(yōu)化來(lái)自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)集成，例如 慣性傳感器、INS、DVL、磁力計(jì)、重力傳感器、聲納和攝像頭。通過了解每個(gè)傳感器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以以最大限度提高準(zhǔn)確性和可靠性的方式組合數(shù)據(jù)。
TAN 和 ML 的集成代表了 AUV 導(dǎo)航的重大飛躍。這些先進(jìn)技術(shù)為更加自主、適應(yīng)性更強(qiáng)和智能的水下探險(xiǎn)家鋪平了道路。隨著研究的繼續(xù)和技術(shù)的成熟，我們可以預(yù)期AUV將在海洋探索、科學(xué)發(fā)現(xiàn)和水下作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。
AUV 的準(zhǔn)確導(dǎo)航能力對(duì)于廣泛的應(yīng)用至關(guān)重要，使它們能夠執(zhí)行對(duì)人類來(lái)說困難、危險(xiǎn)或不可能的任務(wù)。以下是如何使用 AUV 導(dǎo)航解決現(xiàn)實(shí)問題的一些示例：
配備聲納和高分辨率攝像機(jī)的 AUV 正在改變水下考古領(lǐng)域。這些機(jī)器人探險(xiǎn)家可以創(chuàng)建沉船和其他水下考古遺址的詳細(xì) 3D 地圖，在不干擾脆弱環(huán)境的情況下捕獲復(fù)雜的細(xì)節(jié)。例如，AUV已被用來(lái)調(diào)查地中海的古羅馬沉船，揭示貨物、船體結(jié)構(gòu)和其他文物，為了解古代貿(mào)易路線和造船技術(shù)提供了寶貴的見解。 AUV 的精確導(dǎo)航功能使考古學(xué)家能夠以毫米級(jí)精度記錄這些遺址，創(chuàng)建可供研究和與公眾共享的虛擬重建。
在海上石油和天然氣行業(yè)，AUV 在維護(hù)水下管道的完整性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們配備了傳感器和攝像頭，可以沿著管道導(dǎo)航，檢查管道是否有腐蝕、裂紋或其他損壞。這對(duì)于防止泄漏和確保這些關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施組件的安全運(yùn)行至關(guān)重要。即使在強(qiáng)水流或能見度差的惡劣條件下，AUV 導(dǎo)航系統(tǒng)也可以沿著管道進(jìn)行精確跟蹤。這確保了全面的檢查覆蓋范圍，并有助于在潛在問題升級(jí)為代價(jià)高昂且破壞環(huán)境的事件之前發(fā)現(xiàn)它們。
AUV 是海洋學(xué)研究的寶貴工具，使科學(xué)家能夠從偏遠(yuǎn)和充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中收集數(shù)據(jù)。它們可以被編程為導(dǎo)航到特定的位置和深度，收集有關(guān)洋流、溫度、鹽度和海洋生物的信息。例如，
配備聲學(xué)傳感器的 AUV 可以跟蹤魚群、監(jiān)測(cè)鯨魚遷徙并繪制浮游生物的分布圖。這些數(shù)據(jù)有助于科學(xué)家了解海洋生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜動(dòng)態(tài)，跟蹤氣候變化的影響，并制定管理海洋資源的可持續(xù)戰(zhàn)略。
AUV 正在成為世界各地海軍日益重要的工具，提供一系列增強(qiáng)海上安全和防御行動(dòng)的能力。它們能夠在充滿挑戰(zhàn)的水下環(huán)境中自主導(dǎo)航，這使得它們非常適合執(zhí)行對(duì)于人類潛水員或載人船只而言過于危險(xiǎn)或困難的任務(wù)。
以下是 AUV 導(dǎo)航的一些關(guān)鍵軍事和國(guó)防應(yīng)用：
? 水雷對(duì)策（MCM）：配備聲納的 AUV 可以探測(cè)水雷并對(duì)其進(jìn)行分類，從而降低海軍人員面臨的風(fēng)險(xiǎn)。它們可以在淺水區(qū)、港口和其他經(jīng)常布設(shè)水雷的區(qū)域作業(yè)，為掃雷行動(dòng)提供關(guān)鍵情報(bào)。先進(jìn)的 AUV 甚至可以配備消除水雷的工具，進(jìn)一步提高其在保護(hù)海軍資產(chǎn)和保護(hù)航道方面的價(jià)值。
? 反潛戰(zhàn)（ASW）：可以部署AUV來(lái)探測(cè)和跟蹤潛艇，為反潛戰(zhàn)提供有價(jià)值的情報(bào)。它們安靜地行動(dòng)并覆蓋大面積的能力使它們成為監(jiān)視和偵察的有效工具。一些 AUV 正在開發(fā)中，能夠部署針對(duì)潛艇的反制措施，從而增加針對(duì)水下威脅的另一層防御。
? 情報(bào)、監(jiān)視和偵察 (ISR)： AUV 可以收集沿海水域和其他戰(zhàn)略利益區(qū)域的關(guān)鍵情報(bào)。它們可以配備各種傳感器來(lái)收集水下活動(dòng)的數(shù)據(jù)，包括用于檢測(cè)船只的聲學(xué)傳感器、用于捕獲圖像的攝像機(jī)以及用于監(jiān)測(cè)水狀況的環(huán)境傳感器。這些信息可用于評(píng)估威脅、監(jiān)控海上交通和支持海軍行動(dòng)。
? 快速環(huán)境評(píng)估（REA）：在部署潛水員或其他資產(chǎn)之前，AUV 可用于快速評(píng)估水下環(huán)境。它們可以收集有關(guān)水溫、鹽度、水流和障礙物的數(shù)據(jù)，為規(guī)劃操作和確保人員安全提供重要信息。
? 海洋學(xué)調(diào)查： AUV 可以對(duì)海底進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，繪制水下地形圖，識(shí)別潛在危險(xiǎn)，并收集用于導(dǎo)航和制圖目的的數(shù)據(jù)。這些信息對(duì)于海軍艦艇和潛艇的安全航行至關(guān)重要。
? 降低人員風(fēng)險(xiǎn)： AUV 允許海軍部隊(duì)執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)而不危及人員生命。
? 提高運(yùn)行效率： AUV 可以長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行，覆蓋大面積區(qū)域并收集大量數(shù)據(jù)，而無(wú)需持續(xù)的人工監(jiān)督。
? 秘密行動(dòng)： AUV 可以安靜、謹(jǐn)慎地運(yùn)行，使其成為不希望被發(fā)現(xiàn)的監(jiān)視和偵察任務(wù)的理想選擇。
? 進(jìn)入具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境： AUV 可以進(jìn)入密閉空間、深水以及潛水員或大型船只難以或不可能到達(dá)的其他區(qū)域。
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，AUV可能在軍事和國(guó)防行動(dòng)中發(fā)揮更大的作用，為維護(hù)海上安全和保護(hù)國(guó)家利益提供多功能且強(qiáng)大的工具。
航行在水下世界是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但技術(shù)的進(jìn)步使 AUV 的操作精度和效率不斷提高。通過結(jié)合INS、DVL、聲學(xué)定位和聲納測(cè)繪等多種導(dǎo)航方法，AUV 可以極其精確地探索海洋深處。
? 3DM-GX5-GNSS/AHRS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-GX5-GNSS/INS 高性能 GNSS 導(dǎo)航傳感器
? 3DM-CV7-AHRS 戰(zhàn)術(shù)級(jí) OEM IMU/AHRS
? 3DM-GX5-AHRS 高性能姿態(tài)參考傳感器
? 3DM-CV5-IMU 嵌入式慣性測(cè)量單元
