1. 课程导入与AUV任务航点规划概述

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）在执行海洋任务时，并不会像遥控潜水器那样由操作员实时操纵每一个动作，而是依靠预先编排好的任务计划自主航行。这份任务计划的核心，就是任务航点规划：把任务意图转化为一系列带有空间坐标、深度、航速、停留时间与动作指令的航点序列，并保证这些航点在真实海洋环境中可被安全、准确地跟踪执行。

理解航点规划，需要先厘清三个层次的概念。最底层是坐标，即用经纬度、深度或局部直角坐标描述一个空间位置；中间层是航点，它是在坐标基础上附加任务语义的点，例如“在此处下潜至50 m”“在此处开启侧扫声呐”“在此处悬停采样”；最上层是航线与任务，由航点按顺序连接形成航段，再由航段组成完整任务。航点规划处理的正是从坐标到航点、从航点到任务的映射关系，因此它既是几何问题，也是任务逻辑问题。

航点规划在AUV任务中的作用

航点规划的质量直接决定任务成败，其作用主要体现在四个方面。第一是任务可执行性：AUV的能源、续航、下潜深度和转弯半径都是有限的，规划必须让航点序列在物理上可被跟踪，避免出现超出机动能力的急转弯或超出耐压深度的下潜指令。第二是作业精度：测绘、采样等任务对航迹重合度有要求，航点间距与航速设置会直接影响传感器覆盖的均匀性。第三是安全性：规划需要避开障碍物、禁航区、强流区和海底地形突变区，并为异常上浮预留安全路径。第四是可复现性：结构化的航点文件使同一任务可以被重复执行、被不同航行器执行，也便于事后复盘与责任追溯。

典型应用场景

海洋测绘是最典型的应用。以多波束测深为例，规划者需要根据测深条带宽度、重叠率和目标分辨率设计“梳状”测线：假设作业区为2 km×1 km，多波束单侧覆盖宽度约120 m，要求条带重叠率10%，则测线间距约为216 m，沿1 km方向需布设约5条主测线，并在两端设置转向过渡航段。航点不仅要给出测线端点坐标，还要规定沿测线匀速直航、转向时降速等航速指令。

环境监测强调时空一致性。例如对某养殖区进行水质剖面观测，规划者会在固定站点设置“下潜—定深停留—上浮”的垂直剖面航点，并要求各站点在同一潮汐相位内完成，以保证数据可比。此时航点的时间属性与空间属性同等重要。

搜救与应急响应则强调快速覆盖与自适应。规划通常采用扩展方形、平行扫掠等搜索模式，并结合漂移模型预测目标可能区域，航点需要支持任务中途根据探测结果动态插入或调整。

一个可对照的规划示例

为了让抽象概念落地，这里给出一个教学示例（参数为合理假设，非实测数据）。某AUV在近岸海域执行地形测绘，作业区中心为北纬30.5000°、东经122.3000°，范围约1 km×0.6 km，目标水深30～60 m。规划者先在局部东-北-天坐标系中布设测线，再统一转换为WGS84经纬度写入任务文件。一个航点记录通常包含编号、纬度、经度、目标深度、航速、动作类型和停留时间，例如：

WP01  30.50250  122.29600  depth=35m  speed=1.2m/s  action=START_LINE  hold=0s
WP02  30.50250  122.30400  depth=35m  speed=1.2m/s  action=SONAR_ON    hold=0s
WP03  30.50000  122.30400  depth=35m  speed=0.8m/s  action=TURN        hold=5s
WP04  30.50000  122.29600  depth=35m  speed=1.2m/s  action=SONAR_ON    hold=0s

这份片段体现了航点规划的几个关键判断：测线端点坐标决定覆盖范围；转向点降速并设置短暂停留，是为了给航行器留出稳定姿态的时间；动作字段把传感器开关与空间位置绑定，保证数据与位置对应。规划完成后还需校验：相邻航点距离是否满足转弯半径、深度指令是否在耐压范围内、总航程是否超出续航余量。若某段航程估算为8 km、巡航速度1.2 m/s，则纯航行时间约1.85 h，再叠加转向与停留时间，才能判断电池余量是否足够。

本课程的学习目标

完成本课程后，学习者应能够独立完成一条AUV任务的航点规划全流程：正确选择与转换坐标系，理解经纬度与局部坐标的换算关系；根据任务类型设计合理的航点序列与航段参数；按规范生成并校验任务文件；在执行后依据航迹偏差与传感器数据判断规划质量并迭代优化。课程将沿着“坐标基础—航点设计—航线校验—任务文件—执行复盘”的主线展开，每一章都围绕真实规划中会遇到的具体问题组织内容，而不是停留在概念罗列。