自主式水下載具(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)可進行多種複雜的水下作業，例如：海洋環境調查、水下設施檢驗、海底管線追蹤等。要利用AUV完成複雜的水下作業，關鍵在於精準的運動控制，而控制法則的開發通常是基於水下載具的運動方程式。受到載具運動時的六個自由度:縱移(Surge)、橫移(Sway)、起伏(Heave)、橫搖(Roll)、縱搖(Pitch)、艏搖(Yaw)，以及周圍流體阻力與附加質量效應的影響，使得載具運動方程式較為複雜且包含許多未知的動力參數。本研究建立影像視覺技術鑑別AUV動力參數的方法，以提高推估AUV模式的準確性與運動控制的精確性。
利用影像視覺技術量測載具之運動資訊，具有建置成本低、資料取樣率高的優勢，本研究將利用AUV上配備之雷射影像系統搭配池底投射物，以雷射光條偏移量計算出AUV運動位移資訊，再基於運動方程式與演進式最佳化策略，鑑別水下載具的動力參數。由於六個自由度的AUV運動方程式為高度非線性，且包含眾多未知參數，本研究利用特定的解耦運動模式鑑別特定的參數，以提高參數鑑別的效率與準確性。最後將鑑別之參數代入AUV運動方程式中，模擬AUV運動軌跡並與實際的AUV運動軌跡比較。本研究的實驗結果顯示，相較於利用單一推力產生的位移資訊，藉由多組不同推力產生的位移資訊所獲得之動力參數，其對應的運動方程式較能準確地描述不同推力下的AUV運動行為。此等運動方程式能產生與AUV實際運動軌跡相近的AUV模擬運動軌跡。因此，實驗結果證實，雷射線掃描技術為鑑別自主式水下載具動力參數的一種有效可行方法。

Unmanned underwater vehicles (UUVs), including autonomous underwater vehicles (AUVs) and remotely underwater vehicles (ROVs), are primarily used to perform various tasks regarding ocean investigation and seafloor search. The key to allow underwater vehicles to complete complex underwater activities, especially near the seafloor, is the precise motion control of underwater vehicles. The development of underwater vehicles' control rules is mostly based on underwater vehicles' dynamic equations of motion, i.e. their dynamic model. However, such dynamic model essentially contains a number of unknown parameters. Thus, in order to achieve the precise control of underwater vehicles, it is important to have an effective and accurate system identification method.
Compared with other sensors, the prominent advantage of the vision technology is that, due to its high sampling rate, it can capture more information on an underwater vehicle's dynamic motion, leading to its capability of producing more accurate hydrodynamic parameters. In recent years, due to the improved semiconductor laser performances and the mature digital camera technologies, a laser imaging system is becoming an attractive and affordable payload device for a UUV. Therefore, this research proposes a method that adopts laser line scanning to identify the hydrodynamic parameters of an AUV and studies the feasibility of the method.
According to the experimental results, compared with using the AUV displacement data generated by a single thrust, the hydrodynamic parameters, obtained using the AUV displacement data generated by different thrusts, can lead to a dynamic model that can characterize the AUV motions under different thrusts more accurately. Such dynamic models can also generate simulated AUV paths adequately close to the actual AUV paths. Therefore, the experimental results validate the feasibility of applying laser line scanning to the AUV hydrodynamic parameter identification.

論文審定書 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
誌謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix
第一章 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究動機與目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
第二章 AUV 動力模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1 座標系統與自由度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 無人水下載具之運動方程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 假設條件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 剛體動態 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 流體附加質量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3.1 附加質量之慣性矩陣 . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.3.2 附加質量向心力與科氏力矩陣 . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 流體動力阻尼 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5 重力與浮力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.6 運動聯立方程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3 AUV 推進器配置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4 解耦運動模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 前進運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.2 下潛運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.3 艏搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4.4 橫搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4.5 縱搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5 解耦運動模式相關之動力參數 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
第三章 雷射影像處理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.1 雷射線之圖素座標 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2 座標轉換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 經緯線格點校正法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 轉換範例 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
第四章 基於雷射影像之 AUV 運動位移計算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1 前進運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.1 AUV 行進方向與投射物中線夾角之計算 . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2 AUV 前進位移之計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.3 AUV 前進位移計算範例一 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.1.4 長距離之 AUV 前進位移計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.1.5 AUV 前進位移計算範例二 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.2 下潛運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3 艏搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.1 AUV 與投射物之距離計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3.2 第一種情況之艏搖角度計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.3 第二種情況之艏搖角度計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 橫搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.5 縱搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
第五章 實驗設備與場地 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.1 實驗設備 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.2 實驗場地 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.3 AUV 感測器之限制 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.1 高度計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.3.2 磁羅經 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
第六章 動力參數鑑別 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.1 目標函數 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.2 推進器推力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3 動力參數鑑別結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.3.1 前進運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.2 下潛運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.3.3 艏搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.3.4 橫搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.3.5 縱搖運動 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
第七章 結論與建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.1 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.2 建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
參 考 文 獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

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