自主水下航行器導航的進步

文章出處：新聞資訊責任編輯：开云体育网页登录發表時間：2024-11-27 18:16:57

想象一下在夜深人靜的時候在雷區中航行，敵方潛艇潛伏在深處。在這種高風險的環境中，自主水下航行器 (AUV) 正在證明自己的價(jia) 值。

這些機器人探險家徹底改變了海軍(jun) 行動，為(wei) 水下戰爭(zheng) 提供了關(guan) 鍵優(you) 勢。但是，這些 AUV 如何在 GPS 不起作用、每個(ge) 角落都潛伏著危險的危險深處航行呢？

什麽是自主水下航行器？

自主水下航行器 (AUV) 正在徹底改變海洋探索和研究，使科學家和研究人員能夠以以前不可能的方式探索海洋深處。

從(cong) 繪製海底地圖到監測海洋生物和檢查水下基礎設施，AUV 在複雜的水下環境中獨立運行。 AUV 操作最關(guan) 鍵的方麵之一是導航，由於(yu) 水下缺乏傳(chuan) 統的 GPS 信號，導航帶來了獨特的挑戰。

在這篇文章中，我們(men) 將探討 AUV 中使用的各種導航方法、它們(men) 麵臨(lin) 的挑戰以及水下導航技術的進步。

為(wei) 什麽(me) AUV 導航具有挑戰性由於(yu) 以下幾個(ge) 因素，水下導航本質上比陸地或空中導航更加困難：

• 缺乏GPS： GPS信號不能很好地穿透水，這意味著AUV不能像陸地或空中航行器那樣依賴衛星導航係統。

• 信號失真：水，尤其是鹽水，會(hui) 衰減電磁信號，使基於(yu) 無線電和雷達的導航方法失效。

• 動態環境：水下環境不斷變化，有海流、潮汐和變化的地形，這使得精確導航成為(wei) 一項複雜的任務。

由於(yu) 這些挑戰，AUV 依靠創新技術的組合來準確確定其位置、速度和方向。

自主水下航行器

自主水下航行器關鍵導航技術

可用的多種導航技術使 AUV 能夠適應各種水下任務和環境。根據具體(ti) 要求，AUV 可以結合使用這些方法來實現最佳的定位和導航能力。

導航技術	描述	優點	缺點
慣性導航係統	通過使用加速度計和陀螺儀測量加速度和旋轉運動來跟蹤位置。根據最後已知位置計算位置。	獨立且不依賴外部信號，非常適合水下使用。	隨著時間的推移，會出現漂移、累積誤差，如果不定期糾正，就會導致定位不準確。
深水層	使用聲納技術通過發射聲脈衝並測量返回回聲的多普勒頻移來測量 AUV 相對於海底或水柱的速度。	提供實時速度數據，這對於動態環境中的導航至關重要。	精度取決於是否有堅實的底部作為參考，因此在距離海底太遠的深水中可能無法有效工作。
聲學定位	使用聲波確定 AUV 的位置。 LBL 係統使用海底轉發器網絡來對 AUV 的位置進行三角測量。	在特定區域具有高度精確性，尤其是在策略性放置 LBL 應答器時。	需要設置和維護轉發器網絡，這使得它對於大規模或公海勘探不太實用。
基於聲納的	聲納係統（側掃聲納、多波束回聲測深儀）用於繪製海底地圖並探測障礙物。將這些地圖與預先存在的地圖進行比較，以估計 AUV 的位置。	提供周圍環境的詳細信息，可用於實時導航和避障。	取決於預先存在的地圖的質量，並且需要強大的處理能力。
航位推算	根據最後已知的位置、速度、方向和行駛時間計算當前位置。使用來自羅盤、速度計程儀和深度傳感器等機載傳感器的數據。	簡單有效的短期導航。	錯誤會隨著時間的推移而積累，導致長期任務的不準確。
磁力計	測量地球磁場以幫助 AUV 保持正確的航向。提供補充數據，特別是在具有獨特磁性特征的區域。	提供基本方向所必需的航向信息。成本相對較低且易於集成。不受水體渾濁度或深度的影響。可以通過檢測磁異常來幫助進行水下測繪。	容易受到金屬結構或 AUV 本身的磁幹擾。精確定位的精度有限；主要提供方向信息。地球磁場的變化會影響精度。

集成導航係統以提高準確性

由於(yu) 單個(ge) 導航方法的局限性，AUV通常采用組合多個(ge) 係統的綜合方法。例如，AUV 可能使用 INS 進行一般定位，並通過來自 DVL 或 LBL 係統的聲學定位數據定期進行校正。這個(ge) 過程被稱為(wei) 傳(chuan) 感器融合，有助於(yu) 減輕個(ge) 體(ti) 弱點並提高整體(ti) 導航精度。

地形輔助導航和機器學習

隨著 AUV 技術的進步，研究人員正在開發更複雜的導航方法，以增強其能力並使其能夠在日益複雜的環境中運行。這些尖端技術的兩(liang) 個(ge) 突出例子是地形輔助導航 (TAN) 和機器學習(xi) (ML) 的應用。

想象一艘 AUV 滑過峽穀，其聲納創建周圍水下地形的詳細地圖。這就是 TAN 的本質，其中 AUV 使用其機載聲納來“查看”水下景觀，並將其與(yu) 預先存在的地圖或實時創建的地圖進行比較。通過將其觀察到的特征與(yu) 地圖上的已知特征進行匹配，AUV 可以準確地確定其位置。

TAN 具有以下幾個優點：

• 提高精度：它為(wei) INS 和航位推算等可能隨時間漂移的其他導航方法提供了寶貴的校正機製。通過將聲納讀數與(yu) 已知地形特征進行比較，AUV 可以減少誤差的積累並保持更準確的位置估計。

• 增強自主性： TAN 使 AUV 能夠在充滿挑戰的環境中更加獨立地運行。通過依靠對周圍地形的感知，他們(men) 可以在不依賴外部信號或預先部署的基礎設施的情況下進行導航。

• 增強安全性： TAN 可以幫助 AUV 避免與(yu) 水下障礙物發生碰撞。通過識別岩石、珊瑚礁或沉船等特征，AUV 可以調整其航向，以在複雜的環境中安全航行。

TAN 的缺點是它也依賴於先驗圖。

機器學習(xi) 正在給許多領域帶來革命性的變化，AUV 導航也不例外。通過利用機器學習(xi) 算法的力量，AUV 可以從(cong) 經驗中學習(xi) 並適應不斷變化的條件，使它們(men) 成為(wei) 更加智能和高效的探索者。

以下是機器學習用於增強 AUV 導航的一些方法：

• 預測導航：機器學習(xi) 算法可以分析大量數據，包括洋流、潮汐和天氣模式，以預測這些因素將如何影響 AUV 的軌跡。這使得 AUV 能夠預測挑戰並相應地調整其航向，從(cong) 而提高效率並減少能耗。

• 自適應控製：機器學習(xi) 可以使 AUV 適應其控製係統，以響應不斷變化的環境條件。例如，如果 AUV 遇到強流或湍流，機器學習(xi) 算法可以調整車輛的推進器和控製麵以保持穩定性和航向。

• 避障： ML可以增強AUV檢測和避障的能力。通過在水下圖像和聲納數據的大型數據集上訓練算法，AUV 可以學習(xi) 識別和分類不同類型的物體(ti) ，例如岩石、海洋生物或人造結構，從(cong) 而使它們(men) 能夠安全地穿過雜亂(luan) 的環境。

• 傳(chuan) 感器融合： ML 可以優(you) 化來自多個(ge) 傳(chuan) 感器的數據集成，例如慣性傳(chuan) 感器、INS、DVL、磁力計、重力傳(chuan) 感器、聲納和攝像頭。通過了解每個(ge) 傳(chuan) 感器的優(you) 點和缺點，機器學習(xi) 算法可以以最大限度提高準確性和可靠性的方式組合數據。

TAN 和 ML 的集成代表了 AUV 導航的重大飛躍。這些先進技術為(wei) 更加自主、適應性更強和智能的水下探險家鋪平了道路。隨著研究的繼續和技術的成熟，我們(men) 可以預期AUV將在海洋探索、科學發現和水下作業(ye) 中發揮更大的作用。

AUV 導航的實際應用

AUV 的準確導航能力對於(yu) 廣泛的應用至關(guan) 重要，使它們(men) 能夠執行對人類來說困難、危險或不可能的任務。以下是如何使用 AUV 導航解決(jue) 現實問題的一些示例：

水下考古

配備聲納和高分辨率攝像機的 AUV 正在改變水下考古領域。這些機器人探險家可以創建沉船和其他水下考古遺址的詳細 3D 地圖，在不幹擾脆弱環境的情況下捕獲複雜的細節。例如，AUV已被用來調查地中海的古羅馬沉船，揭示貨物、船體(ti) 結構和其他文物，為(wei) 了解古代貿易路線和造船技術提供了寶貴的見解。 AUV 的精確導航功能使考古學家能夠以毫米級精度記錄這些遺址，創建可供研究和與(yu) 公眾(zhong) 共享的虛擬重建。

管道檢測

在海上石油和天然氣行業(ye) ，AUV 在維護水下管道的完整性方麵發揮著至關(guan) 重要的作用。它們(men) 配備了傳(chuan) 感器和攝像頭，可以沿著管道導航，檢查管道是否有腐蝕、裂紋或其他損壞。這對於(yu) 防止泄漏和確保這些關(guan) 鍵基礎設施組件的安全運行至關(guan) 重要。即使在強水流或能見度差的惡劣條件下，AUV 導航係統也可以沿著管道進行精確跟蹤。這確保了全麵的檢查覆蓋範圍，並有助於(yu) 在潛在問題升級為(wei) 代價(jia) 高昂且破壞環境的事件之前發現它們(men) 。

海洋學研究

AUV 是海洋學研究的寶貴工具，使科學家能夠從(cong) 偏遠和充滿挑戰的環境中收集數據。它們(men) 可以被編程為(wei) 導航到特定的位置和深度，收集有關(guan) 洋流、溫度、鹽度和海洋生物的信息。例如，

配備聲學傳(chuan) 感器的 AUV 可以跟蹤魚群、監測鯨魚遷徙並繪製浮遊生物的分布圖。這些數據有助於(yu) 科學家了解海洋生態係統的複雜動態，跟蹤氣候變化的影響，並製定管理海洋資源的可持續戰略。

AUV 導航的軍事和國防應用

AUV 正在成為(wei) 世界各地海軍(jun) 日益重要的工具，提供一係列增強海上安全和防禦行動的能力。它們(men) 能夠在充滿挑戰的水下環境中自主導航，這使得它們(men) 非常適合執行對於(yu) 人類潛水員或載人船隻而言過於(yu) 危險或困難的任務。

以下是 AUV 導航的一些關(guan) 鍵軍(jun) 事和國防應用：

• 水雷對策（MCM）：配備聲納的 AUV 可以探測水雷並對其進行分類，從(cong) 而降低海軍(jun) 人員麵臨(lin) 的風險。它們(men) 可以在淺水區、港口和其他經常布設水雷的區域作業(ye) ，為(wei) 掃雷行動提供關(guan) 鍵情報。先進的 AUV 甚至可以配備消除水雷的工具，進一步提高其在保護海軍(jun) 資產(chan) 和保護航道方麵的價(jia) 值。

• 反潛戰（ASW）：可以部署AUV來探測和跟蹤潛艇，為(wei) 反潛戰提供有價(jia) 值的情報。它們(men) 安靜地行動並覆蓋大麵積的能力使它們(men) 成為(wei) 監視和偵(zhen) 察的有效工具。一些 AUV 正在開發中，能夠部署針對潛艇的反製措施，從(cong) 而增加針對水下威脅的另一層防禦。

• 情報、監視和偵(zhen) 察 (ISR)： AUV 可以收集沿海水域和其他戰略利益區域的關(guan) 鍵情報。它們(men) 可以配備各種傳(chuan) 感器來收集水下活動的數據，包括用於(yu) 檢測船隻的聲學傳(chuan) 感器、用於(yu) 捕獲圖像的攝像機以及用於(yu) 監測水狀況的環境傳(chuan) 感器。這些信息可用於(yu) 評估威脅、監控海上交通和支持海軍(jun) 行動。

• 快速環境評估（REA）：在部署潛水員或其他資產(chan) 之前，AUV 可用於(yu) 快速評估水下環境。它們(men) 可以收集有關(guan) 水溫、鹽度、水流和障礙物的數據，為(wei) 規劃操作和確保人員安全提供重要信息。

• 海洋學調查： AUV 可以對海底進行詳細調查，繪製水下地形圖，識別潛在危險，並收集用於(yu) 導航和製圖目的的數據。這些信息對於(yu) 海軍(jun) 艦艇和潛艇的安全航行至關(guan) 重要。