水下定位与导航简述

水下机器人感知与导航技术研究水下机器人是一种在水中进行工作的自动化机器人，它可以在复杂的水下环境中进行各种任务。

而水下机器人的感知与导航技术对于其顺利完成任务至关重要。

本文将对水下机器人感知与导航技术的研究进行讨论。

水下机器人在水下环境中工作时，需要具备感知能力以获取周围环境的信息。

水下环境复杂多变，具有一系列挑战，如水动力学、水下浊度、海底地形等。

因此，水下机器人的感知技术应当具备对这些挑战的应对能力。

一种常见的水下机器人感知技术是声纳感知技术。

声纳可以通过向水中发射声波并接收回波来获取水下环境的信息。

通过分析回波的时间、幅度和频率等特征，可以获取水下物体的位置、形状、材质等信息。

然而，声纳感知技术受到水中传播条件的限制，如声纳波束的扩散、水下信号的衰减等，因此在水下机器人感知中仍存在挑战。

另一种常见的水下机器人感知技术是视觉感知技术。

通过安装摄像头或激光雷达等传感器，水下机器人可以获取水下环境的视觉信息。

视觉感知技术可以提供高分辨率的图像数据，从而实现对水下物体的识别、定位和跟踪。

然而，在水下环境中，由于水下光线传播的吸收和散射，水下机器人视觉感知技术受到光线条件的限制，对于远距离和深水区域的感知存在困难。

水下机器人的导航技术是指通过感知数据，使机器人能够在水下环境中精确地定位和自主导航。

水下导航技术的研究主要包括惯性导航、水声导航和视觉导航等。

惯性导航是利用惯性测量单元（IMU）获取水下机器人位置和姿态信息的一种导航技术。

IMU通过测量和集成加速度计和陀螺仪的数据，可以估计机器人的位置和姿态。

惯性导航技术可以提供高频率的位置和姿态估计，但长时间的积分误差会导致导航的累积误差增大。

水声导航是利用水中的声纳信号进行定位和导航的一种技术。

通过测量声源与水下机器人之间的时间差或方向差等参数，可以确定机器人的位置。

水声导航可以在水下环境中提供较高精度的定位和导航能力，但受到水声波传播的限制，如多径效应和噪声干扰等。

水下导航工程技术中的声纳技术研究随着科技的不断进步和水下工程的广泛应用，水下导航成为航海领域中的一个重要研究方向。

在水下导航工程技术中，声纳技术作为一项关键技术在定位和导航等方面起着重要作用。

本文将从声纳技术的原理、应用以及前景等方面进行论述。

一、声纳技术的原理声纳技术是利用声波在水中传播的特性进行探测和通信的一种技术。

声波在水中的传播速度约为1500米/秒，远远大于在空气中的传播速度。

声纳技术利用声波在水中传播的时间和路径进行定位和导航。

常见的声纳技术包括主动声纳和被动声纳。

主动声纳技术通过发送声波信号，并接收回波信号来确定物体的位置和距离。

这种技术常用于水下探测和定位。

被动声纳技术则主要利用水中的环境声音，通过接收声音信号来判断物体的位置和方向。

这种技术常用于水下通信和监测。

二、声纳技术的应用声纳技术在水下导航工程中有广泛的应用。

以下是几个常见的应用领域：1. 水下定位和导航声纳技术在水下定位和导航方面具有重要作用。

通过发送声波信号，可以确定目标物体在水下的位置和距离。

这对于海洋探测、水下考古、海底管道维护等领域非常重要。

2. 水下通信声纳技术在水下通信中也起到关键的作用。

水下的环境复杂，电磁波在水中的传播受到很大限制，而声波在水中的传播速度较快，传播距离较远。

因此，通过声纳技术进行水下通信是一种可行的选择。

3. 水下探测和监测声纳技术可用于水下的探测和监测。

例如，通过声纳技术可以探测海底地形、水下生物和水下物体等。

同时，声纳技术还可以用于监测水下环境的变化，例如水下地震活动等。

三、声纳技术的前景随着水下导航工程的发展和水下资源的利用，声纳技术在未来有着广阔的应用前景。

一方面，声纳技术可以用于海洋科学研究，帮助我们更好地了解海洋的未知之处。

另一方面，声纳技术可以用于水下工程的建设和维护，提高工程施工的效率和质量。

未来，声纳技术可能会更加智能化和高效化。

与其他水下导航技术相结合，例如激光测距和无线通信技术，声纳技术的定位和导航精度将会进一步提高。

导航工程中的水下测量与海底地形分析导航工程是指利用各种技术手段，确定船舶、飞机、车辆等物体的位置、姿态以及移动轨迹，以便实现精确导航和定位的工程。

水下测量与海底地形分析是导航工程中的重要内容，通过对水下环境进行测量和分析，可以提供海底地形数据，为导航系统提供准确的信息。

本文将探讨水下测量技术和海底地形分析的应用。

一、水下测量技术1.声纳测深技术声纳测深技术是一种利用声波在水中传播的时间差和频率变化来测量水深的方法。

它通过发射声波脉冲至水下，然后接收回波并计算声波从发射到接收所经历的时间差来确定水深。

声纳测深技术具有测量范围广、测量速度快、精度较高等优点，被广泛应用于水下测量。

2.多波束测量技术多波束测量技术是指利用多个声纳传感器同时发射声波，从而形成多个接收声纳接收回波的情况。

通过接收多个回波，可以得到更多的信息，提高测量精度。

多波束测量技术能够快速获取水下地形数据，并在不同方向上提高测量覆盖范围，提供准确的水下地形信息。

3.激光扫描技术激光扫描技术采用激光束来扫描水下物体，通过测量激光束的反射时间和强度来获取水下地形数据。

激光扫描技术具有高精度、高分辨率的特点，可以获取具有细节的水下地形数据。

激光扫描技术适用于复杂水下环境的测量，能够提供准确的水下地形信息。

二、海底地形分析1.地形数据处理海底地形数据的处理是将测量得到的原始数据进行加工处理，获取可视化的地形图或地形模型。

处理方法包括数据滤波、插值、拟合等。

数据滤波能够去除噪声和异常值，保留有效的地形信息。

插值方法可以根据有限的数据点生成连续的地形曲面。

拟合方法可以通过拟合曲线或曲面来描述地形形态。

地形数据处理能够将原始数据转化为可视化的地形，为后续分析提供准确的数据基础。

2.地形特征分析海底地形特征分析是对地形数据进行分析，提取地形的特征信息。

常见的地形特征包括海山、河流、裂缝、盆地等。

通过对地形特征的分析，可以了解海底地壳的构造和演化过程，为海洋地质和海洋生态等领域的研究提供依据。

自主水下航行器导航与定位技术
肖家耀
【期刊名称】《价值工程》
【年(卷),期】2022(41)8
【摘要】精确导航与定位对AUV执行水下作业任务的安全性和有效性至关重要。

与陆地导航定位相比,由于全球卫星导航系统(GNSS)在水下不可用以及海洋环境的独特物理特性,水下导航定位更具挑战性。

近年来用于AUV导航定位的传感器在性能和精度方面有了显著的提升,除此之外,同步定位与地图构建、协同定位算法的日益成熟极大的提升了AUV导航定位能力。

文章列举了一些AUV常用导航定位技术,这些技术可用于实时确定AUV在水下的位置。

【总页数】3页(P159-161)
【作者】肖家耀
【作者单位】中海油田服务股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U675.2
【相关文献】
1.自主水下航行器同时定位与制图技术研究
2.自主水下航行器导航技术
3.基于双水听器的多自主水下航行器协同导航方法
4.自主水下航行器导航技术发展现状与分析
5.模糊自适应滤波算法在自主水下航行器组合导航系统中的应用
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水下机器人的自主定位与控制近年来，随着科技的不断进步，水下机器人的应用越来越广泛，它们可以在水下进行各种药物的研究、海底地质勘探、油气开采等任务。

然而，由于水下环境的复杂性，给水下机器人的自主定位与控制带来了很大的挑战。

本文将重点论述水下机器人的自主定位与控制的技术现状和发展前景，以及未来的应用前景。

一、水下机器人自主定位技术现状水下机器人的定位技术是指机器人自身获取其位置坐标和姿态角度的能力。

研究发现，现有水下机器人的主要定位技术包括GPS定位、激光测距、超声波测距和惯性导航等。

但是这些技术在水下环境中存在很大的局限性，因为水下环境中信号的衰减以及多样性的影响，会降低这些技术的性能。

然而，一些新兴的水下机器人定位技术正在发展中。

其中，视觉定位技术是一种非常手段，通过机器视觉技术和SLAM技术，能够实现自主化和相对精确的姿态测量。

除此之外，一些机器人在水下利用磁力测量实现目标定位，也成为一种可行而有效地补充手段。

二、水下机器人自主控制技术现状随着水下机器人应用领域的扩大，越来越多的研究者遇到了控制问题。

在水下环境中，因为瞬态干扰影响，控制困难度高。

控制分为两种，一种是开环控制，即确定性控制，另一种是闭环控制，即反馈控制，随机的干扰会导致偏差，以此带来更大的困难。

一些新兴控制技术正在发展中，如逆向动力学控制和模型预测控制。

这些方法将研究水下机器人的运动和控制，确保机器人能够正确执行既定任务，并对复杂的水下环境进行适应。

三、水下机器人自主定位与控制的发展前景随着不断增长的需求和技术的发展，水下机器人的自主定位与控制技术也将逐步完善。

在未来的发展中，应该开发出更完善的水下控制系统，促进探索、生态保护和资源开发，逐步迎接智能海洋的时代。

此外，人们研究和开发出的水下机器人，应用前景也是不可限量的。

例如铺设光缆、搜救水下人员和物质等方面有广泛应用。

同时，水下机器人也应该被应用在应急救生，环境监测，资源勘探等领域中，将来必将成为生产力与经济发展之中的重要组成部分。

水下机器人的导航与控制技术研究近年来，随着科技的不断发展，水下机器人的应用越来越广泛。

它们主要用于海洋勘探、海底管线维修、深海探测等领域。

然而，由于水下环境的复杂性和水下机器人自身的特点，水下机器人的导航和控制技术研究一直是一个难点。

本文将对当前水下机器人导航和控制技术的研究进展进行探讨。

一、水下机器人的导航技术水下机器人的导航技术是其能否准确地执行任务的关键。

目前主要的水下机器人导航方法包括声纳导航、惯性导航、视觉导航和自主导航等。

1. 声纳导航：声纳导航是指使用声纳探测器在水中进行信号的发送和接收，利用声波的传播速度和时间差来确定水下机器人的位置。

声纳导航方法具有定位准确、可用于大范围探测、不受光照影响等特点，但受到水下环境中噪声和反射等因素的影响。

2. 惯性导航：惯性导航是指使用加速度计和陀螺仪等惯性传感器检测水下机器人的加速度、角速度和角位移等变量，从而推断其位置和姿态。

惯性导航方法具有定位精度高、无需外界信号、短时间内获取位置等优点，但相比声纳导航，其误差随时间增加的速度较快。

3. 视觉导航：视觉导航是指利用摄像头等视觉传感器获取水下环境中的图像信息，通过图像处理和分析技术来推断水下机器人的位置和姿态。

视觉导航方法具有操作简单、实时性好、环境适应性强等特点，但受到水下环境的光照和水质等因素的限制。

4. 自主导航：自主导航是指利用集成导航系统对水下机器人进行自主导航。

该方法将声纳、惯性、视觉等多个导航技术进行融合，以提高导航的精度和可靠性。

但相比单一导航技术，自主导航的复杂度和成本较高。

二、水下机器人的控制技术水下机器人的控制技术是其能否准确和稳定地执行任务的关键。

目前主要的水下机器人控制方法包括遥控控制、半自主控制、全自主控制等。

1. 遥控控制：遥控控制是指利用遥控器、艇上动力控制箱等装置对水下机器人进行控制。

该方法操作简单、成本低廉，但不适用于大型和复杂任务。

2. 半自主控制：半自主控制是指利用预设轨迹、任务指令等控制方式，对水下机器人的运动进行控制。

水下机器人定位导航技术实验报告一、引言水下机器人在海洋探索、资源开发、科学研究等领域发挥着越来越重要的作用。

而定位导航技术是水下机器人实现自主作业和精确操作的关键。

本次实验旨在研究和评估不同的水下机器人定位导航技术，为其实际应用提供参考和依据。

二、实验目的本次实验的主要目的是：1、比较不同定位导航技术在水下环境中的精度和可靠性。

2、分析各种技术在不同水质、水流条件下的性能表现。

3、探索如何提高水下机器人定位导航的准确性和稳定性。

三、实验设备与环境（一）水下机器人本次实验采用了型号水下机器人，其具备主要功能和特点。

（二）定位导航系统1、惯性导航系统（INS）2、声学定位系统3、卫星导航系统（在水面时辅助）（三）实验环境实验在一个大型的室内水池中进行，水池尺寸为长、宽、深，模拟了不同的水质（清澈、混浊）和水流条件（缓流、急流）。

四、实验方法与步骤（一）实验准备1、对水下机器人进行全面检查和调试，确保其各项功能正常。

2、安装和校准定位导航系统，设置相关参数。

（二）实验过程1、在不同水质和水流条件下，分别启动水下机器人，让其按照预设的轨迹运动。

2、同时记录惯性导航系统、声学定位系统和卫星导航系统（在水面时）的数据。

（三）数据采集与处理1、实验过程中，实时采集各个定位导航系统的数据。

2、对采集到的数据进行滤波、降噪等预处理。

3、采用特定的算法和软件对数据进行分析和计算，得出定位导航的精度和误差。

五、实验结果与分析（一）惯性导航系统1、在短时间内，惯性导航系统能够提供较为准确的位置和姿态信息。

2、但随着时间的推移，由于累积误差的存在，其定位精度逐渐降低。

（二）声学定位系统1、在清澈水质和缓流条件下，声学定位系统表现出色，定位精度较高。

2、然而，在混浊水质和急流环境中，声波的传播受到干扰，定位精度有所下降。

（三）卫星导航系统（水面辅助）在水面时，卫星导航系统能够提供非常准确的位置信息，有效地对水下机器人的定位进行校准和修正。

海上卫星发射场的水下探测与定位技术海上卫星发射场是现代航天发射活动中的重要组成部分，它可以允许航天器在海洋区域进行发射，并提供了更加安全和经济的发射方式。

然而，在海洋环境中进行卫星发射面临许多技术挑战，其中之一是水下的探测与定位技术。

水下探测与定位技术是海上卫星发射场必备的技术手段，它能够帮助工作人员确保发射场周围的水下环境安全，并提供必要的信息支持。

这项技术不仅需要准确地探测和定位水下物体，而且还要能够应对复杂的海洋环境条件，例如潮汐、浪潮和海底地形等。

因此，开发适用于海洋环境的水下探测与定位技术是迫切需要解决的问题。

一种常用的水下探测技术是声纳技术。

声纳技术利用声波在水中传播的原理，通过发射声波信号并接收回波信号来探测和定位水下物体。

在海上卫星发射场中，声纳技术可以用于探测水下障碍物和测量海底地形。

通过利用声纳设备发射声波，可以计算出声波的传播时间和回波波形，从而确定物体的位置和特征。

声纳技术具有探测范围广、精度高、成本相对较低等优点，在实际应用中被广泛采用。

除了声纳技术之外，水下测距系统也是海上卫星发射场中常用的定位技术。

水下测距系统利用声波的传播速度确定物体到测距系统的距离。

通过测距系统发送的短脉冲声波信号，可以测量声波波束传播的时间，从而计算出物体到测距系统的距离。

水下测距系统在测量精度和距离范围上具有一定的限制，但是在海上卫星发射场中仍然可以提供有用的定位信息。

另外，水下定位系统也是海上卫星发射场的重要组成部分。

水下定位系统通过接收水下标志物或参考标志物发出的信号来确定自身的位置。

这些信号可以是声纹、电子信号或其他特定的标志物。

水下定位系统可以提供稳定准确的位置信息，帮助工作人员进行目标定位和船舶导航。

水下定位系统的精度和可靠性对于海上卫星发射场的安全和运营至关重要。

为了提高水下探测与定位技术的效率和精度，在海上卫星发射场中还可以采用多传感器数据融合技术。

多传感器数据融合技术可以结合声纳、水下测距系统和水下定位系统等多种传感器的信息，综合分析和处理数据，提高定位的准确性和可靠性。

水下导航定位系统在水下作业中的应用【摘要】水下导航定位技术是一种集成了导航测姿、水声定位、GPS定位的综合性技术，可广泛应用于水下作业中，如引导潜水员进行打捞、对水下目标进行精确定位等等。

介绍了水下导航定位系统的组成结构，以及在水下作业中的应用。

【关键词】超短基线；水声定位；导航测姿；水下作业1.引言由于深水区域往往能见度较低，且水下周围一般没有参照物，因此潜水员在进行打捞、救助等水下作业活动时，常常会无法准确辨别自身所处位置，无法获知与工作船、打捞目标之间的相对位置关系，给水下作业带来一定困难。

为提高水下搜索作业效率，实现指挥员对潜水员的实时监控，需要配备水下导航定位系统，对潜水员的绝对位置进行精确定位，并引导潜水员进行水下作业。

2.水下导航定位系统的组成水下导航定位系统一般主要由超短基线水声定位系统（USBL）、导航测姿系统、GPS系统以及潜水导航系统组成。

如图1所示。

图1 水下导航定位系统组成2.1 超短基线水声定位系统超短基线水声定位系统主要由超短基线声基阵、声信标以及水声定位处理计算机组成。

超短基线声基阵向水下发送询问信号，声信标接收到询问信号后，向超短基线声基阵发送应答信号，水声定位处理计算机根据超短基线各基元接收到的应答信号的延时，来解算声信标的相对距离和方位，从而对声信标进行定位[1]。

声信标一般安装在待定位设备上或者由潜水员随身携带。

图2 法国iXSea公司研制的GAPS图2是法国iXSea公司研制的GAPS（Global Acoustic Positioning System）超短基线水声定位系统，该系统主要由超短基线水声定位基阵、GPS定位系统以及Octans光纤罗经。

GAPS系统的精度较高，且无需对导航测姿系统以及GPS定位系统进行校准，但其造价昂贵，用于一般水下作业性价比较低。

图3 Scout+超短基线水声定位系统图3是英国Sonardyne公司研制的Scout+超短基线水声定位系统，其基阵内部带有5个声基阵基元，以及1个磁罗盘和1个MRU姿态传感器，若对水下目标定位的精度要求较高，则需要水声定位处理计算机外接高精度导航测姿系统和GPS系统，以替代超短基线声基阵内部的磁罗盘和MRU姿态传感器。

基于重力和环境特征的水下导航定位方法研究【基于重力和环境特征的水下导航定位方法研究】一、引言水下导航定位是一项重要的技术挑战，在水下环境中，由于水下能见度低、水流速度大等因素的影响，传统的GPS定位技术不能满足水下导航的需求。

基于重力和环境特征的水下导航定位方法成为了研究的热点之一。

本文将对这一研究领域进行全面评估，并探讨其中的深度和广度。

二、水下导航定位的基本原理在水下环境中，传统的无线电波和光波的传输特性会受到水的吸收和散射的影响，导致能见度降低，从而限制了GPS、激光雷达等技术的应用。

基于水下重力、声纳、磁场等环境特征的导航定位方法成为了研究的焦点。

其中，基于水下重力的方法是一种新兴的技术，该方法利用水下地形的重力异常来进行导航定位，具有一定的应用前景。

三、基于重力的水下导航定位方法1.水下地形的重力异常水下地形的重力异常是指由于地质构造或岩石体积不均匀性所造成的地下岩石密度异质性，导致地表上的重力场产生异常。

这种异常会对水下重力测量产生影响，而重力异常的大小和方向可以提供有关地形特征的重要信息，为水下导航定位提供了新的思路。

2.水下重力测量技术为了获取水下地形的重力异常信息，需要运用相应的水下重力测量技术。

目前，水下重力测量技术主要包括重力梯度仪、海底重力仪等设备，这些设备可以在水下进行高精度的重力场测量，从而获取水下地形的重力异常数据。

3.基于重力的水下导航定位算法基于水下地形的重力异常数据，可以开展水下导航定位算法的研究。

通过分析地下岩石密度分布、重力异常的空间分布特征等信息，可以建立起合适的水下导航定位算法模型，实现对水下位置的准确定位和导航。

四、环境特征对水下导航定位的影响水下环境的特征对导航定位具有重要的影响，其中包括水质透明度、水流速度、水中颗粒物质的密度等。

这些环境特征的变化会对基于重力的水下导航定位方法产生一定的干扰，而且环境特征的复杂性也增加了水下导航定位的难度。

五、个人观点和理解基于重力和环境特征的水下导航定位方法是一项具有挑战性和前景的研究领域，我认为在未来的研究中，需要重点关注水下环境特征的复杂性对导航定位的影响，并寻求更高精度和稳定性的水下导航定位算法。

水下机器人自主导航技术研究随着科技的不断发展与深入，水下机器人在不同领域的应用越来越广泛。

目前，水下机器人的自主导航技术已经相当成熟，其广泛运用于海洋考察、海底资源利用、海底设施维修与安装、水下救援等方面。

然而，要实现水下机器人的自主导航，关键在于高精度的定位，水下机器人的自主导航技术的研究就是如何实现高精度定位。

一、水下机器人自主导航技术的发展历程水下机器人自主导航技术的研究始于20世纪70年代，当时由于缺乏精确的定位手段，水下机器人的导航主要依赖于激波测距等方法进行测量。

随着GPS卫星导航技术的发展，水下机器人的定位方式逐渐向GPS导航技术转移。

然而，由于水下环境较差，在水下使用GPS导航定位的效果并不理想，所以研究者们开始使用其他技术进行水下机器人的导航研究，如超声波定位、声纳定位等。

近年来，随着新型传感技术、先进的数据处理技术的不断发展与应用，水下机器人自主导航的技术水平不断提高，能够在更加复杂的水下环境进行自主导航。

二、水下机器人自主导航技术研究的挑战水下机器人自主导航技术的研究主要面临以下几个挑战。

1.水下环境复杂。

水下环境与陆地环境截然不同，光线照射极差，水流、潮汐等因素会导致水下机器人位置不断变化。

2.传感器精度限制。

水下环境具有高压、高盐、寒冷等因素，传感器的稳定性与精度会受到很大挑战。

3.能源问题。

由于水下环境的特殊性，水下机器人能源选择有限，能耗也比较大，因此需要提高水下机器人的能源利用效率。

4.定位精度问题。

高精度定位对于实现水下机器人自主导航至关重要，但是目前还没有找到一种适应不同环境的普适性定位技术。

三、水下机器人自主导航技术的发展方向为了应对上述挑战，水下机器人自主导航技术的研究主要发展以下几个方向。

1.传感器系统的优化。

传感器是水下机器人进行定位的关键设备，为了提高水下机器人自主导航的精度，需要对传感器进行优化，尤其是超声波传感器和声学传感器的准确性和可靠性。

2.新型定位方法的使用。

水下机器人的定位和控制算法研究一、引言水下机器人在深海勘探、海洋生态监测、海底管线维护等方面具有广阔的应用前景。

实现水下机器人的定位和控制是水下机器人技术研究的核心问题之一。

本文就水下机器人的定位和控制算法进行研究。

二、水下机器人定位技术水下机器人的定位技术包括惯性导航、声纳定位、成像定位等多种方式。

1.惯性导航惯性导航是指通过测量水下机器人的加速度和旋转速度获得位置信息的一种方法。

惯性导航具有无需外部信号、精度高等优点。

但是惯性导航不可避免地存在误差积累问题，因此需要定期进行校准。

2.声纳定位声纳定位是指利用机器人发射声波，通过测量声波的回波时间、强度等信息来确定机器人的位置。

声纳定位具有精度高、适用范围广等优点，但是容易受到海洋环境影响，如噪声干扰等。

3.成像定位成像定位是指通过机器人搭载的摄像头等设备获取水下环境场景信息，再利用计算机算法进行定位。

成像定位适用范围较广，但需要充分考虑场景和算法的复杂度。

三、水下机器人控制技术水下机器人控制技术包括路径规划、运动控制等多种方式。

1.路径规划路径规划是指利用算法为机器人生成合理的运动路径的过程。

路径规划需要考虑水下环境的复杂度、机器人的运动能力等多种因素，利用合适的算法和技术优化路径。

2.运动控制运动控制是指实现机器人运动、操作的过程。

运动控制需要充分考虑机器人的动力学特性、控制算法等多种因素，确保机器人能够在水下环境中稳定、精准地运动。

四、水下机器人定位和控制算法研究进展近年来，水下机器人定位和控制算法研究得到了快速发展，主要体现在以下几个方面：1.基于深度学习的定位算法深度学习在计算机视觉、自然语言处理等领域得到了广泛应用，近年来也开始应用于水下机器人定位。

基于深度学习的定位算法利用神经网络等技术，自动学习和提取特征，适用于复杂环境下的定位问题。

2.基于自适应控制的机器人运动控制自适应控制是指控制器根据机器人动态响应实时调整控制参数的过程。

科技创新　水下辅助导航综述　

闫春字　何睿　崔厚瑞　（中海油安全技术服务有限公司，天津３００４５７）　

２０１５年第２０期ｌ科技创新与应用　

摘要：文章介绍了水下辅助导航系统的研究现状；分析了目前常用的水下辅助导航算法，尤其对水下地形辅助导航进行了比　较深入的分析，它是目前广泛使用的水下导航技术，随着水下机器人的发展，水下地形辅助导航必将越来越收到研究者的关注，　文中也分析了未来地形辅助导航的研究热点。　关键词：水下导航；地形辅助导航；综述　

１概述　当今空中和陆上的导航系统十分依赖于ＧＰＳ，它能够提供大范围　的精确且连续的位置信息。因此ＧＰＳ广泛应用于各种移动平台上，包括　飞行器、地面车等机器人系统中。尽管如此，但还是在一些特殊的环境，　ＧＰＳ不能使用，必须要考虑其它的导航手段。这类环境包括：水下、太空、　地底、室内以及其它ＧＰＳ接收机受限的环境中（比如：战时受屏蔽区　域）。尤其在水中，ＧＰＳ等电磁传感器无法使用，必须考虑其他的辅助导　航定位手段。目前在水下有多种类型的导航定位手段，包括声学，光学，　地磁以及地形等方法。　随着海洋资源受到各国的极大关注，海上冲突不断，临海更过纷纷　投入水下机器人装备的开发。水下导航是水下机器人的关键组成，由于　水下特殊的环境，ＧＰＳ系统无法使用，因此需要进行水下辅助导航。随　着科学技术的发展，各种水下导航技术在不同的应用中发挥了重要的　作用，越来越多地收到了人们的关注。目前在ＧＰＳ受限的情况下，水域　机器人的导航定位技术有两类：航迹推算以及辅助导航。　航迹推算主要利用速度加速度传感器来计算机器人的位置，由于　测量的误差积分的结果会产生飘移，随着时间的增加误差会增大。典型　的推算公式如下：　ｄｘ　＝ｆＲ（ｑ　）　ｄｔ　由　＝ｆｋ（ｑ　ｄｔ　＼＼Ｒ（ｑｂ、　ｄｔｄｔ　这里ｄ）【ｌｌ和ｄｑ　分别表示机器人的位置和方向的改变量，Ｒ（ｑ　和Ｒ　是旋转矩阵，ｖｂ、ａｂ和　分别表示速度，加速度以及角速度。ｎ表示惯　性导航的第ｎ时刻，ｂ表示机器人本体。在机器人系统中，一般通过融合　加速度、陀螺、磁力仪以及速度传感器信息来计算机器人位置。航海常用　的导航传感器主要有水压传感器，磁罗盘，陀螺仪，加速度计，ＩＭＵ（Ｉｎ—　ｅｒｔｉａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｕｎｉｔ），ＡＨＲＳ（Ａｔｔｉｔｕｄｅ，Ｈｅａｄｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｓｙｓｔｅｍ），ＤＶＬ（Ｄｏｐｐｌｅｒ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｌｏｇ），传感器原理不同，其测量精度相　差很大。对于功耗和成本有限的机器人，很多高精度的设备都无法使用，　难以达到高精度的导航。　水下的辅助导航主要有声学辅助导航，通常通过声学定位传感器　来进行位置计算的，使用的传感器由有长基线或短基线定位传感器。另　外，地形辅助导航，视觉辅助导航，地磁辅助导航方式，以及重力辅助导　航方式也有诸多研究。　２水下辅助导航　２．１基于声波的辅助导航　声学辅助导航是使用声纳测量距或者测量已知位置的发射器来进　行的，水下机器人的位置通常通过直接或者三角形法获得。系统定位的　精度依赖于发射器的位置精度以及发射型号的频率。若只是通过声波进　行定位，这些系统的范围也是有限的。　最常见的水下声波定位系统有长基线定位，超短基线定位等。长基　线定位系统类似与水下的ＧＰＳ系统，包括一系列在海底布置的精确定　位的基站点。标准的长基线定位系统，如果１２ｋｈｚ的信号，能够达到ｎ１一　ｌＯｍ的定位精度。更高的频率可以达到２ｒａｍ的精度，但是定位范围会缩　短为１００ｍ。长基线系统部署较为固定，因此不适合大范围的任务需要。　另外，部署以及标定这些系统也是非常昂贵的。超短基线提供了一种低　成本的声波定位方案，它的定位绑定了水面船只，可以利用水面船只的　ＧＰＳ信号提供—个较大范围的水下定位。通常超短基线定位系统可以达　

水下机器人自主导航技术的研究水下机器人自主导航技术是指机器人在水下环境中能够自主发现目标、规划路径并实现精准导航的能力。

由于水下环境复杂多变，包括有限的可见性、海洋流、水下障碍物等因素，水下机器人自主导航技术的研究一直是一个具有挑战性的课题。

本文将介绍水下机器人自主导航技术的研究方向及相关进展。

一、水下机器人自主导航技术的研究方向1.环境感知：为了实现自主导航，水下机器人需要准确的环境感知能力。

研究方向包括水质检测、水下目标检测与跟踪、地形建模等。

水质检测可以通过传感器测量物理和化学参数来了解水下环境的状况；水下目标检测与跟踪可以利用图像处理和机器学习技术来识别和追踪水下目标；地形建模可以通过声纳或激光技术对水下地形进行三维重构，为机器人的路径规划提供支持。

2.定位与导航：水下机器人需要准确定位和导航才能实现自主导航。

研究方向包括惯性导航、声纳定位、水下通信等。

惯性导航可以利用加速度计和陀螺仪等传感器来估计机器人的姿态和位置；声纳定位可以利用声纳信号与水下目标的反射来估计机器人的位置；水下通信可以通过声波、电磁波等方式传输导航信息和接收指令。

3.路径规划与避障：为了在复杂的水下环境中实现自主导航，水下机器人需要具备路径规划和避障能力。

路径规划可以利用地形建模和环境感知信息来规划安全、高效的路径；避障可以通过机器学习和传感器信息来识别和避免障碍物，确保机器人的安全导航。

二、水下机器人自主导航技术的相关进展在水下机器人自主导航技术的研究方向上，已经取得了一些重要的进展。

1.环境感知方面，研究人员使用各种传感器来获取水下环境的信息，如水质传感器、相机、声纳等。

利用这些数据，研究人员可以实现对水下环境的实时监测和检测。

2.定位与导航方面，研究人员开发了各种定位和导航技术，如惯性导航、声纳定位和水下通信。

这些技术可以精确地估计机器人的位置，并实现与地面的通信和指令传递。

3.路径规划与避障方面，研究人员提出了各种算法和方法来实现路径规划和避障。

水下机器人的导航技术和集成研究水下机器人是一种重要的工具，用于深海探测、水下测量和资源开发等领域。

然而，水下环境的特殊性质使得水下机器人的导航任务更加困难。

在水下环境中，地形复杂，信号传播受限，传感器数据有误差，水下通信受限等问题都会影响机器人的导航精度。

因此，水下导航技术的发展和研究对于水下机器人的广泛应用和进一步开发至关重要。

水下机器人的导航任务通常包括自主导航、跟踪和定位。

自主导航是通过机器人自身的传感器获取环境信息，进而计算出机器人的位置、速度和方向，以实现机器人自主控制和导航。

跟踪和定位则是建立在目标检测的基础上，通过跟踪目标实现对机器人轨迹的控制。

因此，水下机器人的导航技术需要同时满足以下几个要求：高精度、高鲁棒性、实时性和自适应性。

水下导航技术包括多种方法，如惯性导航、声纳定位、图像识别和惯导加良 (Inertial Navigation System，INS) 等。

惯性导航是应用惯性测量单元 (Inertial Measurement Unit，IMU) 计算机器人的姿态、加速度和角速度，并利用数学模型计算机器人的位置和轨迹。

这种方法适用于长时间的水下自主导航任务，但是由于惯性传感器有漂移误差，导致误差逐渐累积，最终导致位置偏差较大，因此需要与其它传感器相互辅助。

声纳定位是通过声波传播测量机器人与目标之间的距离，并进一步计算机器人位置。

这种方法在水下环境中被广泛应用。

图像识别则是通过分析水下图像信息计算机器人的位置和姿态，适用于近距离的自主导航等任务。

INS则是通过集成加速度计、陀螺仪和磁强计等传感器获知机器人的运动状态，并通过微积分和数学模型计算机器人位置和姿态。

INS 优点在于精度高、可靠性好，但需要时刻校准误差。

除了单一的导航方法，集成多种导航技术也是一种综合性的导航方法，其优点在于提高导航的精度和鲁棒性。

集成多种导航技术需要建立系统模型，将各种传感器信息进行协调和整合，以提高导航系统的性能。