AUV的發(fā)展研究國內(nèi)外文獻綜述AUV發(fā)展現(xiàn)狀AUV從20世紀中葉開始，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在軍事和科研的應(yīng)用不同，科研人員對其外形設(shè)計自然不同，大致可以分為框架式外形和封閉式外形。在軍事用途上科研人員考慮更多的是隱蔽性和續(xù)航能力，因此外形設(shè)計成低阻降噪的回轉(zhuǎn)體外形，同時在考慮到長時間的軍事任務(wù)，還需將外形寸尺設(shè)計的較大，以滿足能源搭載。在科研探索上科研人員對于深海探索更多采用低阻的回轉(zhuǎn)體外形；對于淺海養(yǎng)殖、生物多樣性研究、海底成像等科研任務(wù)，科研人員采用更加靈活的外形設(shè)計方式，例如采用多艇體的框架式外形可以避免近海暗礁的碰觸造成航行器的沉沒。（1）框架式外形AUV框架式外形具有抗壓能力較好、設(shè)計簡單、擴展性強、裝載空間充裕等特點，所以其通常見于作業(yè)型、科考型AUVADDINNE.Ref.{A00071ED-08CC-45E9-8965-C54B2D6AF98A}[6]。德國AtlasElektronik公司研制的DEEPC型AUV采用框架式外形AUV，主體是由三個紡錘形艇體組合而成，使用輕型碳纖維硬塑料所制而成，使得外形具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕的特點ADDINNE.Ref.{4D41C79C-305E-40FC-8ACD-DF6B86C6197D}[7]。西班牙GIRONA500AUV與德國DeepC型AUV相似，也采用了三個艇體的組合式結(jié)構(gòu)。三個艇體由鋁制框架組成，成本低、可靠性高，主要用于海底調(diào)查、觀測及干預等任務(wù)ADDINNE.Ref.{8B559435-F162-4D61-9792-02B6B5557261}[8]。該AUV最大的特點是功能模塊化處理，能夠根據(jù)任務(wù)進行重新配置。美國伍茲霍爾海洋研究所成功研發(fā)出一種自主水下航行器—自主深海探測器（TheAutonomousBenthicExplorer，ABE），主體外形采用雙體外形，特點是機動性強，可以懸停在水中或者以較小的速度航行ADDINNE.Ref.{0979C59E-104F-477E-9DB1-8F27B9618A7A}[9]。它是第一個可以潛至4572m繪制熱層圖、采集水樣等任務(wù)然后獨立返程的水下航行器。國內(nèi)上海海洋大學張金泉等在基于對框架式AUV模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種框架式AUV，并開發(fā)了3自由度控制系統(tǒng)的軟硬件及水下監(jiān)控裝置，主要用于海水養(yǎng)殖中對于網(wǎng)衣的檢測ADDINNE.Ref.{F5134640-97C5-469F-9555-E5D9409D8C35}[10]，具有該外形的AUV具有成本低可靠性高、使用便捷和可擴展能力強的特點。(a)DEEPC型AUV(b)GIRONA500AUV(c)ABEAUV(d)上海海洋大學框架式AUV圖1-SEQ圖1-\*ARABIC1幾款框架式自主式水下航行器外形Figure1-1Outlineofseveralframeautonomousunderwatervehicles.（2）封閉式外形封閉式外形具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與良好水動力性能，廣泛應(yīng)用于水下航行器外形設(shè)計中。其中回轉(zhuǎn)體外形最為常見，由于各國對海洋進一步探測的需要以及回轉(zhuǎn)體AUV良好的性能，國內(nèi)外回轉(zhuǎn)體外形AUV較多。在眾多回轉(zhuǎn)體外形中，橫截面為圓形的細長形回轉(zhuǎn)體應(yīng)用最為普遍。美國海軍水下作戰(zhàn)中心研制的MK30-2訓練靶雷，在淺海作戰(zhàn)環(huán)境中充分發(fā)揮了其高機動性和強隱蔽性的特點，艇體外形采用近似魚雷結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體ADDINNE.Ref.{4908A727-0F7B-4465-BFA3-A345F1BEDA87}[11]，航速5~20kn，最大下潛深度305m。主要用于模擬潛艇的反射特性，保護潛艇安全。美國賓夕法尼亞州立大學研制的SeahorseAUV采用魚雷外形，艇長8.6m，直徑966mm。由于艇體尺寸非常大，運行速度低且航行時間長，主要航行深度在10m以下，所以主要用于濱海作戰(zhàn)或者淺水布放ADDINNE.Ref.{4B34EE1A-072E-45D9-B4AD-1108E61F582F}[12]。英國南安普敦國家海洋中心研制了Autosub-6000，采用細長形艇體，全長5.5m，直徑900mm，排水體積2.8m3，首部長1.5m，主要用于傳感器等搭載ADDINNE.Ref.{2B9A9BDD-6CAB-4165-ACC7-B16211A8B4BB}[13]。并在圓柱體的艇體后端設(shè)計有機翼，主要用于生成向下的力，有利于其下潛運動。Autosub-6000配備有溫鹽深儀、熒光計等是一個多用途海洋勘測與調(diào)查平臺。加拿大ISE國際水下公司研制的ExploreAUV，最大航速5kn，最大下潛深度5000m，艇體外形采用細長形回轉(zhuǎn)體，可以有效減小航行阻力以提升航程ADDINNE.Ref.{7E70610B-BFC8-4B23-969D-4C5C98EB34DE}[14]。由于沿艇體軸線的模塊化設(shè)計，使再增加一個電池艙模塊后，其航程可以加倍，其主要用于區(qū)域警戒、水雷搜索和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的探測。中國船舶重工集團第710研究所研發(fā)的海神6000，長7m，直徑880mm，重量不超過3.5t。艇體外形為流線型，最大程度地減小了航行阻力ADDINNE.Ref.{1760BD13-E221-4713-922D-B7A9D3038141}[15]。其主要用于勘測海底的地形地貌、開展打撈救生、大面積目標搜索、海洋科考調(diào)查等。在細長艇體外形中，除了截面為圓形還可是矩形，這種外形可以在保證航行穩(wěn)定的同時便于外載設(shè)備的搭載。俄羅斯研制的MT-88長3.8m，質(zhì)量1.15t，最大下潛深度6000m。外形為細長軸線型，有助于提升航行器的穩(wěn)定性，其橫截面為矩形，有利于傳感器等任務(wù)儀器的搭載，主要用于為海洋觀測和研究服務(wù)。日本東京大學研制的R2D4長4.4m，寬1.08m，高0.81m，最大航速3kn，最大下潛深度4000m，艇體外形為橢球形，寬度大于高度，在減小航行阻力的同時也增強航行穩(wěn)定性ADDINNE.Ref.{627AE54E-2AEC-4246-B62D-F423C8C3E926}[18]。R2D4主要任務(wù)為深海海底調(diào)查,并于2003年7月在蘇魯加灣完成了它的首次海試，同年12月海洋學家使用該航行器部署了對黑島山丘的調(diào)查，并獲得了高質(zhì)量的海底聲像數(shù)據(jù)。(a)Autosub-6000(b)ExploreAUV(c)中國船舶重工集團第710研究所樣機-海神6000-=1\*ROMANI(d)俄羅斯MT-88(e)日本R2D4圖1-SEQ圖1-\*ARABIC2幾款回轉(zhuǎn)體自主式水下航行器外形Figure1-2Outlineofseveralautonomousunderwatervehicleswithrevolvingbodies.在回轉(zhuǎn)體外形中，球形水下航行器最為特殊。由于其獨特的外形特性使得下潛過程中各個方向受到的阻力相同，不利于航行器的操縱性，但正是由于各個方向受力相同，使得水下航行器的球形設(shè)計更適合應(yīng)用于深海航行器的外形設(shè)計。20世紀90年代，美國夏威夷大學已開始研究球形機器人，研制的水下機器人ODIN直徑640mm，空氣中質(zhì)量126kg，主要用于水下探測等任務(wù)ADDINNE.Ref.{AFB4CAEC-E612-4833-BCDF-C7E21A90B674}[16]。2007年，哈爾濱工程大學研制球形噴水水下航行器ADDINNE.Ref.{95AE9369-E08C-4F54-9F2F-77A5DBF7ACFA}[17]，直徑220mm，空氣中質(zhì)量5.6kg。(a)美國ODIN球形航行器(b)哈爾濱工程大學球形噴水航行器圖1-SEQ圖1-\*ARABIC3幾款球形自主式水下航行器外形Figure1-3Outlineofseveralsphericalautonomousunderwatervehicles.除了采用細長的回轉(zhuǎn)體線型外，科研人員根據(jù)海洋生物進行了仿生外形的設(shè)計，這種外形有助于減小阻力，但是容積利用率不高。美國麻省理工學院研制出了OdysseyI~IV系列自主水下航行器。OdysseyIV艇體外形采用海豚外形，長2.5m，直徑580mm，最大航速4kn，續(xù)航12hADDINNE.Ref.{E654184C-E52E-4E3E-B2FE-4D7F9AA530A4}[19]，通過加長主體軸線，并配合推進器，可以有效改善扶正力矩對航行穩(wěn)定的影響。OdysseyIV主要用于調(diào)查冷水珊瑚、漁業(yè)，勘探考古遺址和海底結(jié)構(gòu)，還可以作為基于計算機的視覺聲學監(jiān)控平臺。除了回轉(zhuǎn)體外形和仿生外形外，還可根據(jù)不同的任務(wù)設(shè)計成某些特殊的封閉式外形。我國研制的“探索者”號，采用扁平外形，這種外形具有良好的減阻效果，并且在減小阻力的同時在下潛過程中艇體還可提供一部分升力。其主要用于對水下失事目標進行大范圍的搜索與觀察，還可以用于軍事、打撈等工作ADDINNE.Ref.{F24BAC5F-868D-4EA1-BE54-DF9558E70847}[20]。美國麻省理工學院(MIT)OdysseyIV中科院沈自所“探索者”號圖1-SEQ圖1-\*ARABIC4幾款非回轉(zhuǎn)體自主式水下航行器外形Figure1-4Outlineofseveralnonrotatingautonomousunderwatervehicles.AUG發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀90年代初，美國海軍的支持下，DougWeb等人開始研發(fā)電驅(qū)動的水下滑翔機SLOCUM，艇體采用細長回轉(zhuǎn)體，直徑21.3cm，總長1.5m，重量52kg，主要用于海洋地質(zhì)信息采集，并在美國佛羅里達州進行了海試ADDINNE.Ref.{8671659A-BA87-4B32-8543-868FAB08AF36}[21]。上世紀90年代末，美國的WoodsHole海洋研究所研制的Spray滑翔機，艇體采用水滴形的回轉(zhuǎn)體外形，直徑20cm，總長2m，重量為51kg，主要用于深海探測ADDINNE.Ref.{3445B5F9-C745-454F-AF0E-CE5CEC70452F}[22]。2002年，美國應(yīng)用物理實驗室研制出Deepglider滑翔機，采用低阻層流形回轉(zhuǎn)體外形，工作深度為6000m，主要用于深海地質(zhì)地貌的研究工作ADDINNE.Ref.{B6B04FF1-BD27-4299-B321-3264E586F904}[23]。2005年天津大學與國家海洋技術(shù)中心合作成功的研制了溫差能水下滑翔機，并在千島湖完成實驗，外形采用低阻力的回轉(zhuǎn)體外形，主要用于海洋環(huán)境的研究ADDINNE.Ref.{2EBBEF07-10B6-48F0-B652-1C42847EE9CA}[24]。(a)SLOCUM滑翔機(b)Spray滑翔機(c)Deepglider滑翔機(d)天津大學水下滑翔機圖1-SEQ圖1-\*ARABIC5幾款回轉(zhuǎn)體水下滑翔機外形Figure1-5Theshapeofseveralgyratoryunderwatergliders.除了回轉(zhuǎn)體外形外，為了提高滑翔經(jīng)濟型，本世紀初美國海軍設(shè)計了大展翼的水下滑翔機，對機翼和艇體進行了融合，航行速為1~3kn，機翼展長超過6m，航程最遠可達1500km，主要用于海洋海洋生命科學的研究作ADDINNE.Ref.{CB4A81DD-C15B-4465-887B-31902E5865B5}[25]。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC6Xray水下滑翔機Figure1-6Xrayglider.可以看出作業(yè)任務(wù)不同AUV外形設(shè)計各有千秋。其中回轉(zhuǎn)體外形的高穩(wěn)定性與水動力性能，已成為當前AUV外形設(shè)計的主流。同時，國內(nèi)外對于自主水下航行器的研制一直向更深更遠、長航時的方向發(fā)展。為提高國家海洋探測、軍事等能力，很有必要繼續(xù)致力于新型自主水下航行器（AUV）的研制和對當前AUV作進一步地優(yōu)化。參考文獻[1] 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