随着人类对海洋开发的日益深入,自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)作为海洋资源探索和海洋科学考察的重要工具随之获得快速发展,应用范围不断扩大,工作类型也日益复杂,因此对AUV提出了新的要求,希望其具有更长的工作时间和更大的探测范围。为了满足电器设备布置要求,AUV自身携带能源有限,能源问题成为限制AUV发展的关键问题。解决能源问题最直接有效的方法是增加电池容量,而新型电池技术短时间内难以获得突破性进展,所以本文从提高能源利用率的角度出发,减少能源消耗,从而达到增加航程的目的。优化AUV型线设计可以降低航行阻力,是提高能源利用率的一种有效方法。为降低航行阻力,针对水滴形AUV,利用试验设计和近似模型技术构建阻力响应面模型,并应用多岛遗传算法对响应面模型进行确定性优化,但此时得到的设计方案并没有考虑不确定性因素随机扰动对优化结果影响,对确定性优化设计方案进行不确定性分析,结果表明,当设计变量发生随机扰动时,确定性优化设计方案将越出约束,不再满足设计要求,因此应用6Sigma优化理论对AUV型线进行不确定性优化设计,得到同时满足质量要求和可靠性要求的设计方案。由AUV系统能耗方程可知,AUV能耗与航速有关,以节能航速航行能有效减小能源消耗,提高能源利用率。对系统能耗方程优化之前,需要获得螺旋桨推进系数和纵向阻力函数。为求得螺旋桨推进系数,对AUV自航性能展开研究,采用Hough和Ordway体积力模型代替真实螺旋桨,应用等推力法、螺旋桨敞水试验及对应的螺旋桨敞水性征曲线计算AUV自航性能相关参数。为求得纵向阻力函数,利用试验设计和近似模型技术构建阻力近似模型。将求得的螺旋桨推进系数和纵向阻力函数代入系统能耗方程,应用梯度优化算法对系统能耗方程进行优化,得到系统能耗最小的节能航速。随着工作任务复杂程度提高,单体多功能AUV越来越难以满足任务要求,专业化模块化的AUV被研制出来,逐渐出现了多AUV协同作业系统。当AUV编队航行时可以对其编队优化,得到阻力最小的编队队形,从而达到节约能源的目的。为揭示编队航行时领航AUV和跟随AUV阻力变化特点,对领航-跟随双AUV编队队形参数展开研究,得到单AUV阻力和编队阻力减小航行区域。应用多岛遗传算法在阻力减小区域内对领航-跟随双AUV编队进行优化,找到阻力最小的编队队形,然后进一步扩展到多AUV编队航行研究,为AUV编队航行奠定理论基础和技术支撑。