1. 课程导入与AUV任务场景

自主水下航行器（AUV）与水面船或遥控潜器最大的不同，在于它一旦入水，就基本处于"无人、无缆、无实时干预"的状态。它必须依靠自身携带的能源完成航行、探测与作业，同时依靠自身的浮力与姿态控制保持稳定的深度和航向。因此，"能源续航"和"浮力配平"不是两个孤立的子系统指标，而是决定一次任务能否开始、能否完成、能否安全回收的两条底层约束线。本课程围绕这两条约束线展开，帮助学习者建立从任务剖面到能源预算、从浮力状态到配平操作的完整认知。

一、AUV典型任务剖面

所谓任务剖面，是指AUV从布放入水到回收出水全过程的工作阶段划分，以及每个阶段对应的运动状态、深度变化和负载工作情况。一个典型的近海调查任务，通常可以划分为以下几个阶段：

• 布放与下潜段：母船或岸基将AUV吊放入水，AUV完成自检、建立航向，以设定纵倾角下潜至目标深度。此段推进器功率中等，但下潜时间受深度和纵倾角影响明显。
• 定深巡航段：到达作业深度后转入定深直航，通常以经济航速前进，是全程能耗占比最大的阶段，一般可占60%～80%。
• 作业探测段：搭载侧扫声呐、多波束、CTD或相机等载荷工作，载荷功耗叠加在推进功耗之上，可能出现短时功率峰值。
• 上浮与回收段：完成任务后抛载或排水上浮，接近水面后发送定位信号等待回收。

需要强调的是，任务剖面不是一条理想直线。海流、温跃层、载荷启停、避障机动都会让实际功率曲线偏离设计值。因此，能源预算必须留有余量，浮力状态也必须在整个剖面内保持可控。

二、能源与浮力配平在任务中的角色

能源系统决定"能跑多远、能跑多久"。AUV常用锂离子电池组或压力补偿的银锌电池，其可用能量受放电倍率、水温、截止电压影响。工程上更关心的是能量预算：把推进、载荷、控制与通信各分项的功率乘以对应时长，再叠加损耗与安全余量，得到总需求，与电池可用能量比较。若余量不足，就要降低航速、缩短作业时间或减少载荷开机时长。

浮力配平决定"能不能稳住深度、能不能安全回来"。AUV在水中受到重力与浮力的合力，称为净浮力。净浮力为正则上浮，为负则下沉，接近零时最省推进能量。配平的核心是调整压载与配重，使AUV在目标深度、目标水温与目标盐度下达到接近中性的状态，并通过纵倾调节机构保持姿态。若配平偏差过大，AUV需要持续靠推进器"压"住深度，能耗迅速上升，甚至出现无法定深、上浮困难的风险。

三、课程目标与学习路径

本课程的目标可以概括为三层：看懂——理解任务剖面、能量流与浮力平衡的基本关系；算清——能够完成一次简化的能源预算与净浮力估算；做对——能够按流程完成配平检查、参数设定与结果判读。围绕这三层目标，课程按"基础概念—能源续航—浮力配平—综合应用"的路径推进，先建立物理量与参照约定，再进入计算与操作，最后落到任务级的综合权衡。

为便于后续章节统一口径，这里先约定两个参照：深度以水面为原点、向下为正；纵倾角以艏部下沉为正。全文与图示均沿用此约定，切换参照系时会明确说明。

以一个教学示例说明这种耦合：某小型AUV电池可用能量约2.0 kWh，定深巡航功率约180 W，若计划巡航4小时，仅巡航就需0.72 kWh；再计入下潜、上浮、载荷与控制约0.5 kWh，总需求约1.22 kWh，余量约0.78 kWh。若配平偏差导致巡航功率上升到260 W，同样4小时则需1.04 kWh，总需求升至约1.54 kWh，余量明显收窄。可见配平质量会直接改变能源账本，二者必须放在同一张表里权衡。以上数值为教学假设，实际应以具体平台的实测功率曲线为准。

掌握这套"剖面—预算—配平—判读"的思路后，后续每一章都将围绕其中一个环节展开细化，最终形成可执行的任务准备流程。