自主潜航器关键技术及应用

本书围绕自主潜航器关键技术及应用，探讨了自主潜航器的设计制造、水下组网与通信、水下定位技术、群体智能与任务协作等核心问题。基于现有的自主潜航器组网技术，提出了基于Leach与强化学习的接入控制算法和一种基于Q-learning的功率分配算法，该方法能够延长网络的生命周期，同时实现负载均衡。基于现有的自主潜航器的定位技术，提出了一种自主潜航器群体协同定位算法，实现了自主潜航器系统在水下航行的误差校准，提高了定位精度。针对自主潜航器的水下路径规划的复杂系统，提出了一种基于蚁群算法的自主潜航器路径规划机制和一种基于强化学习的轨迹追踪算法，在点到点路径规划和所有点遍历两种水下场景中验证了算法的有效性。本书所提出的自主潜航器的相关技术为多水下自主潜航器的智能协同场景提供了新的方法与思路。此外，本书总结了无人潜航器的国内外研究现状，并展望了无人潜航器的未来发展趋势。 本书可供高等院校通信与网络、水声工程等专业的师生作为教学与学习参考书，也可供信息类相关领域的研究工作者和实践工作者参考。

任勇 清华大学电子工程系教授、博士生导师，现任清华大学海洋工程研究院副院长，清华大学天津高端装备研究院海洋信息与智能装备研究所所长，清华电子系复杂工程系统实验室主任，中国人工智能学会智能产品与产业委员会主任委员，中国航天钱学森创新委员会副主任，主要从事网络科学、人工智能等理论与方法及其在通信网络与电子系统中的应用。曾主持自然基金、863、973、国际合作、企业合作等项目共计50余项；出版专著3部，发表学术论文350余篇，其中SCI检索150余篇，影响因子23.7，累计影响因子总和600多，被引用5000余次；授权发明专利50余项。曾获省部级科学技术奖5项、发明展览会发明创业奖金奖、清华大学教学成果奖2项、清华大学科技成果转化效益显著奖2项，国际旗舰会议论文奖3项。

第 1章 无人潜航器概述 1 1.1  绪论  1 1.2  无人潜航器类型  2 1.2.1  按无人潜航器与母船连接方式分类  3 1.2.2  按无人潜航器布放/回收方式分类  6 1.2.3  按无人潜航器用途分类  8 参考文献  10 第  2章 无人潜航器应用  11 2.1  无人潜航器应用概述  11 2.2  无人潜航器在民事领域的应用  12 2.2.1  海洋监测  13 2.2.2  海洋资源勘探  13 2.2.3  海洋救援  13 2.2.4  现代渔业应用  14 2.2.5  水下工程检修  14 2.2.6  水文地质资料获取  15 2.2.7  水声信道特性测量  15 2.3  无人潜航器在军事领域的应用  16 2.3.1  情报、监视和侦察任务  16 2.3.2  检查和识别任务  17 2.3.3  水雷反制  18 2.3.4  反潜作战任务  18 2.3.5  海洋勘探任务  19 2.3.6  通信/导航网络节点  19 2.3.7  载荷运输任务  20 2.3.8  军事干扰、欺骗任务  20 2.3.9  时敏目标打击任务  20 2.4  水下战  21 2.4.1  水下战概述  21 2.4.2  新型水下战装备  21 2.4.3  水下战关键技术  22 2.4.4  水下战发展趋势  23 参考文献  23 第3章  自主潜航器的设计与制造  25 3.1  自主潜航器设计与制造概述  25 3.2  自主潜航器系统设计  26 3.2.1  自主潜航器功能设计  26 3.2.2  自主潜航器舱段配置设计  35 3.3  自主潜航器推进系统  35 3.3.1  螺旋桨推进  35 3.3.2  波动推进  40 3.3.3  驱动控制系统  51 3.4  自主潜航器导航系统  52 3.5  自主潜航器能源系统  56 3.5.1  锂电池介绍  56 3.5.2  锂电池充电特性  58 3.5.3  锂电池组电源管理系统  59 3.6  自主潜航器外形设计优化与制造  61 3.6.1  自主潜航器外形设计  61 3.6.2  自主潜航器流体仿真优化  63 3.6.3  配重设计  66 3.6.4  自主潜航器关键零部件的制造  69 3.6.5  自主潜航器防腐工艺  72 3.6.6  自主潜航器的密封  75 参考文献  78 第4章  水下通信特点和技术  80 4.1  水下通信系统概述  80 4.1.1  蓝绿光通信  81 4.1.2  电磁波通信  81 4.1.3  水声通信  82 4.2  水声信道特性  83 4.2.1  水声信道与无线信道的区别  83 4.2.2  非均匀介质对声速剖面的影响  84 4.2.3  水声环境噪声  85 4.2.4  水声传播损失  87 4.2.5  水声多径传播  89 4.2.6  水声多普勒扩展  90 4.3  OFDM技术  91 4.4  未来展望  93 参考文献  93 第5章  自主潜航器群体协同相关技术  95 5.1  群体智能  95 5.1.1  群体智能概述  95 5.1.2  群体智能算法  96 5.1.3  群体智能系统  104 5.2  多智能体  106 5.2.1  多智能体概述  106 5.2.2  多智能体建模  107 5.2.3  多智能体学习算法  107 5.3  群体协同相关技术应用  111 5.3.1  群体智能算法在AUV中的应用  111 5.3.2  多智能体系统的应用  112 参考文献  113 第6章  自主潜航器协同通信相关综述  116 6.1  水声通信网络协议栈  116 6.2  自主潜航器接入控制技术  120 6.2.1  相关技术研究综述  120 6.2.2  系统模型  121 6.2.3  基于Leach的分簇和簇头选择算法设计与分析  123 6.2.4  基于强化学习的接入控制算法设计与分析  125 6.3  自主潜航器信息传播技术  128 6.3.1  相关技术研究综述  128 6.3.2  系统模型  129 6.3.3  算法设计  131 6.3.4  仿真结果与讨论  133 6.4  自主潜航器功率分配技术  138 6.4.1  相关技术研究综述  139 6.4.2  系统模型  141 6.4.3  算法设计  142 6.4.4  仿真验证  147 参考文献  150 第7章  自主潜航器导航定位相关技术  154 7.1  自主潜航器定位相关技术综述  154 7.1.1  航位推算与惯性导航  154 7.1.2  基线定位系统  155 7.1.3  国外超短基线定位系统发展现状  157 7.1.4  国内超短基线定位系统发展现状  159 7.2  自主潜航器协同定位技术  160 7.2.1  系统模型  162 7.2.2  算法设计  163 7.2.3  仿真验证  165 参考文献  167 第8章  自主潜航器任务和规划相关技术  169 8.1  自主潜航器任务协同技术  169 8.1.1  水下协同任务归纳  169 8.1.2  水下通信问题  170 8.1.3  水下运动协调  172 8.2  自主潜航器路径规划技术  174 8.2.1  相关技术研究综述  175 8.2.2  系统模型  177 8.2.3  基于蚁群算法的路径规划算法设计  178 8.2.4  实验验证  181 8.3  AUV轨迹追踪技术  186 8.3.1  研究背景  186 8.3.2  基于强化学习技术的轨迹追踪技术研究  187 8.3.3  系统模型  191 8.3.4  仿真验证  193 参考文献  196 第9章  无人潜航器发展现状与趋势  201 9.1  无人潜航器发展历程  201 9.2  国外无人潜航器发展现状  202 9.3  国内无人潜航器发展现状  217 9.4  无人潜航器发展趋势  222 参考文献  224 名词索引  227