自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）是水下移动机器人的一种应用最典型的形式，是可在水下自主运动，具有感知能力，可用于水下侦察、远程无人布／扫雷和作战等的水下自主航行载体，不需要人为监控，不需要来自水面的复杂支持系统，可以通过自身对航向、航速、航深进行控制，活动范围大，下潜深，可自主完成水下作业和任务。

本书所研究的全驱动AUV模型（图1-1）配置了可以独立顺时针旋转和逆时针旋转的6个推进器。在尾部配置有2个螺旋桨主推进器为全驱动AUV提供前进的动力；安装的另外4个隧道式辅助推进器，具有相同的额定功率，其中2个推进器垂向安装，安装位置以浮心为对称中心，可以直接提供垂向推力，侧向安装了2个辅助推进器，安装位置也以浮心为对称中心，可以直接提供侧向推力，其推力矢量如图1-2所示。

图1-1　全驱动AUV模型示意图

图1-2　6自由度推力矢量图

全驱动AUV的水下空间运动包含6个自由度，分别为前进、侧移、升潜、横滚、俯仰和偏航［1］。本书所研究的AUV是一个全驱动系统，每个自由度都是可控的，其控制系统实现的主要功能如下：(www.daowen.com)

（1）轨迹跟踪。AUV跟踪一条以时间为参数的空间参考轨迹，参考轨迹通常是由一个具有相同模型（被控对象的标称模型）的虚拟参考AUV产生，控制目标是保证跟踪误差的渐近稳定性［2］。

（2）路径跟踪。AUV路径跟踪的目标是使AUV跟踪一条给定的固定期望曲线，路径跟踪问题中的参考曲线与时间无关，其控制目标包含两个方面：一是操纵AUV跟踪期望路径，二是前向速度控制［3］。

如图1-3所示，水下航行器从总体上可以分为无人和载人两种。无人水下航行器（unmanned underwater vehicle，UUV）按工作方式的不同，又分为缆控水下航行器（remote operated vehicle，ROV）和自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）。UUV主要用来代替载人潜艇和潜水员进行救生和深海探测等高风险水下任务，往往工作在复杂未知的海洋环境之中。近年来，随着UUV技术的发展，UUV在执行侦查、扫雷、情报搜集、信息探测等军事任务中已被广泛应用，在未来的海上战争中还可以作为水下攻击武器平台和后勤保障平台［4］。

图1-3　水下航行器分类

大量使用并较早进入工业领域的是ROV，这类水下航行器的优点是其动力和能源供给来自母船的脐带电缆，可以采用大功率的推进器，可以适应恶劣的海洋环境。水面母船通过脐带电缆向ROV传输实时航行控制参数，并且ROV在航行过程中也将传感器实时采集到的数据和图像信息传输到母船上，这就要求母船必须保持良好的船位，然而脐带电缆容易与海底障碍物发生缠绕，使其在水下作业时产生诸多不便，因此ROV的机动性和作业范围非常有限。

与ROV相比，AUV具有巨大优势，如下潜深、活动范围大、电源独立、不怕脐带电缆缠绕、无需母船相关系统支持等。AUV依靠自身的自主计算机来规划和控制管理自身完成相关的水下任务，可以分为预编程式和智能式两种。AUV技术是目前全球水下航行器领域研究的难点和重点，也是未来世界水下航行器领域研究的焦点方向和趋势。AUV技术是一种前沿性和前瞻性技术，已被广泛应用于海洋石油开采、海洋救助与打捞、深海资源调查、水下工程建设、军事和国防领域等诸多方面，产生了巨大的经济效益和社会效益，具有巨大的应用发展前景［5］。世界各国目前都投入巨资竞相研究自主水下航行器技术，受传感器、导航定位、控制、计算机、材料、能源、通信、水声、人工智能等技术快速发展的影响，AUV技术正在快速发展中。