水下机器人发展概述_水下机器人概述

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水下机器人发展概述

1水下机器人发展背景

在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为3.6亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所覆盖。在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。从远古时代起，人们就泛舟于海上。从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。

２水下机器人的定义与分类

２．１水下机器人的定义与概述

水下机器人也称作无人水下潜水器（ｕｎｍａｎｎｅｄ ｕｎｄeｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ），它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。水下环境是属于鱼类的“天下”，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

２．２水下机器人的分类

水下潜水器根据是否载人分为载人潜水器和无人潜 水器两类。载人潜水器由人工输入信号操控各种机动与 动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境，其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种 复杂问题，但是人生命安全的危险性增大。由于载人需 要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系 统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造

价高昂、工作环境受限等不利因素。无人水下潜水器就是人们常说 的水下机器人，由于没有载人的限制，它更适合长时间、大范围和大深度的水下作业。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同可以分为下面两类。

（１）有缆水下机器人，或者称作遥控水下机器人（ｒｅｍｏｔｅｌｙ ｏｐｅｒａｔｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ，简称ＲＯＶ），ＲＯＶ需要由电缆 从母船接受动力，并且Ｒ０Ｖ不是完全自主的，它需要人 为的干预，人们通过电缆对Ｒ０Ｖ进行遥控操作，电缆对 ＲｏＶ像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是南于细长 的电缆悬在海中成为ＲＯＶ最脆弱的部分，大大限制了 机器人的活动范围和工作效率。

（２）无缆水下机器人，常称作自治水下机器人或智 能水下机器人（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｖｅｈｉｃｌｅ，简称 ＡＵＶ），ＡｕＶ自身拥有动力能源和智能控制系统，它能 够依靠自身的智能控制系统进行决策与控制，完成人们 赋予的工作使命。ＡｕＶ是新一代的水下机器人，由于 其在经济和军事应用上的远大前景，许多国家已经把智能水下机器人的研发提上日程。有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方式不同 可分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。无缆水下机器人都是自治式的，它能够依靠本身的自主决 策和控制能力高效率地完成预定任务，拥有广阔的应用前景，在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

２．３自治水下机器人

自治水下机器人，又称智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方 面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的 预定任务使命的机器人。俄罗斯科学家Ｂ．Ｃ．亚斯特列 鲍夫等人所著的《水下机器人》中指出第３代智能水下机器人是一种具有高度人工智能的系统，其特点是具有高度的学习能力和自主能力，能够学习并自主适应外界环境变化。执行任务过程中不需要人工干预，设定任务 使命给机器人后，由其自主决定行为方式和路径规划，军事领域中各种战术甚至战略任务都依靠其自主决策 来完成。智能水下机器人能够高效率地执行各种战略 战术任务，拥有广泛的应用空间，代表了水下机器人技术的发展方向。

3水下机器人的发展现状

3．1 国外水下机器人发展现状

国外水下机器人技术的发展，主要以美国、日本以及西方发达国家为代表，他们的发展技术几乎可以代表了全世界水下机器人技术的发展水平。著名的一些研究机构有美国麻省理工学院MIT Sea Grant’s AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载研究中心、美国伍慈侯海洋学院、美国佛罗里达大西洋高级海洋系统实验室、美国缅因州大学海洋系统工程实验室、美国夏威夷大学自动化系统实验室、日本东京大学机器人应用实验室、英国还是技术中心等。

美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。由美国海军研究生院的Phoenix AUV 和性能更优越的 Aries AUV ,主要用于研究智能控制、规划与导航、目标识别等技术;麻省理工学院的智能机器人 Odyey II 主要用于海冰下的检测和标图;斯坦福大学的 OTTER 的研究目的是使其成为科学和工业界在开发海洋的一种常用工具;美国的新罕布什尔州自主水下系统研发所与俄罗斯远东科学院水下技术研究所联合开发出太阳能自主水下机器人 ,其计划的最终目的是开发一艘具有超过一年续航力的太阳能自主水下机器人。美国麻省理工学院(MIT)的布鲁克斯(RodneyA.Brooks)模拟人类大脑物理结构的基于连接主义的反射性 ,以移动式机器人研究为背景 ,提出以一种依据行为来划分层次和构造模块的思路。它的特点基本与分层递阶体系相反。

日本凭借其在智能机器人先进技术的优势，在水下机器人方面也不甘落后，取得了突跃式的进步，并且成为这个领域的佼佼者。智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上 ,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有近期的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前，日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。

欧洲方面，根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。

法国方面，1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。1688年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约0.2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。

3.2 国内水下机器人的发展现状

我国从上世纪70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作,起步较其他发达国家晚了很多，但是在过去的几十年内，我国水下机器人技术的发展还是取得了很大的进步，并且取得了一些重要的成果。我国先后研制成功以援潜救生为主的7103 艇(有缆有人)、I型救生钟(有缆有人)、QSZ 单人常压潜水器(有缆有人)、8A4 水下机器人ROV(有缆无人)和军民两用的HR—01 ROV,RECON IV ROV 及CR-01A 6000m 水下机器人AUV(无人无缆)等, 使我国潜水器研制达到了国际先进水平。2011年7月26日上午，中国载人潜水器“蛟龙”号在第二次下潜试验中成功突破5000米水深大关，最大下潜深度达到5057米，创造了中国载人深潜新的历史，“蛟龙号”载人潜水器5000米深潜成功，意味着中国载人深潜水平已位居世界前列。标志着中国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力，极大增强了中国科技工作者进军深海大洋、探索海洋奥秘的信心和决心。

4.水下机器人关键技术

4.1总体技术

水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，各学科之间彼此互相牵制，单纯地追求单项技术指标，就会顾此失彼。解决这些矛盾除有很强的系统概念外，还需加强协调。在满足总体技术要求的前提下，各单项技术指标的确定要相互兼顾。为适应较大范围的航行，从流体动力学角度来看，水下机器人的外形采用低阻的流线型体。结构尽可能采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料。

4.2仿真技术

水下机器人工作在复杂的海洋环境中，由智能控制完成任务。由于工作区域的不可接近性，使得对真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分：

4.2.1平台运动仿真

按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。在建立运动数学模型、确定边界条件后，用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应，根据技术指标评估平台的运动状态，如有差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,„„,直至满足要求为止。

4.2.2控制硬、软件的仿真

在水中对控制系统的调试和检测具有很大的风险，因此有必要在控制硬、软件装入平台前，在实验室内先对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。根据结果，进行修改和完善。因而需研究和开发一套用于控制系统仿真的仿真器。仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通讯接口、仿真工作站等组成。在仿真器上对控制系统的仿真，可以减少湖海试时的调试工作量，避免由海中不确定因素带来的麻烦。

4.3水下目标探测与识别技术

目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。

4.3.1合成孔径声纳

用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等，为水下机器人提供一种性能很好的探测手段。

4.3.2前视声纳组成的自主探测系统

前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。可以通过实验，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库，在目标图像像素点较少的情况下，较好的解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。

4.3.3三维成像声纳

用于水下目标的识别的三维成像声纳，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。

4.4智能控制技术

智能控制技术是提高水下机器人的自主性，在复杂的海洋环境中完成各种任务，因此研究水下机器人控制系统的软件体系、硬件体系和控制技术十分重要。智能控制技术的体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。体系结构的目标与水下机器人的研究任务应是一致的，也是提高智能水平（自主性和适应性）的关键技术之一。不断改进和完善体系结构，加强对未来的预报预测能力，使系统更具有前瞻性和自主学习能力。

4.5规划与决策技术

规划与决策是指对自主式水下机器人在有海流区域工作时姿态和路径的规划与决策，主要确保水下机器人工作时艏向严格顶流。有两种路径规划方法，一种是坐标系旋转法，基本思想是将坐标系绕着Z轴旋转，直到X正半轴方向指向来流方向，在工作中保证机器人的姿态始终与X正半轴方向一致。另一种是基于栅格的位形空间激活值传播法。该方法能方便地实现各种优化条件，并适用于各种复杂的环境，具有较佳的控制生成路径能力和可扩展性，而且算法本身具有内在的并行性，很好地满足了机器人艏向尽量顶流的要求。

4.6水下导航(定位)技术

用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等，由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统，该系统无论从价格上、尺度上和精度上都能满足水下机器人的使用要求，国内外都在加大力度研制。

4.7通讯技术

为了有效的监测、传输数据﹑协调和回收等，水下机器人需要通讯。目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。

4.7.1光纤通讯

由光端机（水面）﹑水下光端机﹑光缆组成。其优点是数据率高（100Mbit/s），很好的抗干扰能力。缺点，限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人TUV、ROV。

4.7.2水声通讯

由于声波在水中的哀减慢，对于需要中远距离通讯的水下机器人，水声通讯是唯一的、比较理想的一种方式。实现水声通讯最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难关。要达到实用程度，仍然有大量的工作要做。

4.8能源系统技术

水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，需要具有体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本的能源系统。

4.8.1热系统

热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源是现今一种比较实用的方法。

4.8.2电-化能源系统

质子交换膜燃料电池具有水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。该电池技术难点是合适的安静泵、气体管路布置、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储。21世纪燃料电池将极大地改变人们的生活和企业环境。随着生产成本、稳定性等课题得到解决，燃料电池可望成为水下机器人的主导性能源系统。

5水下机器人的发展趋势

纵观水下机器人的发展历史，无论是载人潜器还是ROV或AUV，都代表了一定历史时期潜水器技术发展的状况及市场的需求。现阶段水下机器人的发展趋势体现在以下几个方面：

(1)AUV代表了未来水下机器人研究的方向

当前在各类水下机器人研究中，AUV是一个热点，我们可以通过大量的国际会议了解到当前国际上水下机器人研究发展的这种趋势。另外，各国对AUV研究的投资也比其它类型机器人的投资要多得多。对AUV的研究范围比较广泛，既包括当前的应用研究也着眼于未来进行基础研究，从经济型到复杂型，有军用的也有民用的，几乎覆盖了AUV的各种类型。

事实上，AUV是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。在军事上，AUV亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与ROV相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。AUV代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。当前AUV的发展趋势为更深、更远、功能更强大，特别是未来海上作战等军事需求的增加，给AUV的发展带来了无限生机，也预示着AUV开始走向应用阶段。

更深——向深海发展

地球上97%的海洋深度在6000米以上，称之为深海。研制6000米的潜水器是许多国家的目标。美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000米级的AUV。尽管ROV和载人潜器也能达到这个深度，但发展AUV比其它潜器的造价要低得多，更经济。图7为我国第一台6000米自治水下机器人“CR-01”，它主要用于太平洋洋底多金属结核的调查。

更远——向远程发展

AUV的分类方法有几种，其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。所谓远程是指AUV一次补充能源连续航行超过100海里以上，而小于100海里称为近程。远程AUV涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。因此，许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作，以期获得突破性的进展。也只有在上述关键技术解决后，才能保证远程AUV计划的实施。

功能更强大——向作业型及智能化方向发展

现阶段的AUV只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也不高。将来的AUV将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。还要在AUV上安装水下机械手，使AUV具有作业能力，这是一个长远的目标。

(2)ROV广泛应用于水下作业中

从1953年世界上出现第一艘遥控潜水器，在近五十年的时间里，ROV从诞生到走向实用化。

目前全世界ROV的数量超过1000台，是其他各类潜水器总和的数十倍，这主要是由于ROV具有以下特点：

1>通过与水面相联的电缆向无人遥控潜器提供能源，作业时间不受能源的限制;2> 操作者直接在水面控制和操作ROV，人的介入使得许多复杂的控制问题变得简单；3> 可以用于水下作业，这一点是现阶段AUV无法达到的。例如ROV与载人潜器可以协同作业，完成对各种失事飞机、潜艇等的打捞任务。

6水下机器人的应用前景

随着人类开发海洋的步伐不断加快，水下机器人行业也逐渐火热起来，各种用途的水下机器人的身影活跃在海洋开发的最前线。自从２０世纪５０年代末美国华盛顿大学建造了主要用于水文调查的第一艘无缆水下机器人„„“ＳＰＵＲＶ”之后，人们便对无缆水下机器人产生浓厚的兴趣，但由于各个配套系统技术上的限制，致使智能水下机器人技术的发展多年徘徊不前。随着 材料、电子、计算机等新技术的飞速发展及海洋研究、开发和军事领域的迫切需求，智能水下机器人再次引起海洋开发领域和各国军方的关注。２０世纪９Ｏ年代后，智能水下机器人各项技术开始逐步走向成熟，由于智能水下机器人在海洋研究和海洋开发中具有远大的应用前景，在未来的水下信息获取、深水资源开发、精确打击和“非对称情报对抗战”中也会有广泛的应用，因此智能水下机器人技术对世界各国来说都是一个重要的、值得积极研发的领域。