水下机器人研究现状与探索

水下机器人研究现状与

探索

Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

《大学计算机基础》

课程报告

论文名称：水下机器人研究现状与探索二零一七年一月

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水下机器人研究现状与探索

朱钰璇

摘要:本文总结了水下机器人的研究历史，现状与目前的发展趋势，具体分析了现代水下机器人应用的技术，指出他们的优缺点，并且针对未来的深海探索机器人的材料，结构，移动方式，动力来源，仿造乌贼等海洋软体动物提出设想，实际应用前景广阔。随着科学技术的发展,水下仿生机器人在智能材料制成的驱动装置、游动机理方面会不断地完善,在个体的智能化和群体的协作方面也会有很大的发展。

关键词:水下机器人；深海探索；仿生；

PRESENTSTATEANDFUTUREDEVELOPMENTOFUNMANNEDUNDERW ATERVEHICLETECHNOLOGYRESEARCH

ZHUYuxuan

Abstract:Inthispaper,thehistory,；theexplorationofdeepsea;Bionic

1引言(Introduction)

世界海洋机器人(unmannedmarinevehicles,UMV)发展的历史大约60年，经历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。加拿大国际潜水器工程公司(ISE)总裁麦克·法兰将海洋机器人的发展历史分为4个阶段[1]，并将前3个阶段

称为革命(revolution)：第一次革命在20世纪60年代，以3人潜水器为标志；第二次革命为70年代，以遥控水下机器人的迅速发展为特征；第三次革命大体为80年代，以自主水下机器人的发展和水面机器人(USV)的出现为标志。现在则是混合型海洋机器人的时代。

水下机器人(Unmannedunderwatervehicle,UUV)是一种可在水下移动、具有感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的机电一体化智能装置。水下机器人是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一,亦是建设海洋强国、扞卫国家安全和实现可持续发展所必需的一种高技术手段。

水下机器人的移动方式十分多样。螺旋桨推进的水下机器人存在流体推进效率低、动作不灵活、噪音大、桨叶会伤害海洋动物等问题。针对这些问题,游动水下仿生机器人如机器鱼应运而生,但它们耐压能力较低。软体动物乌贼凭借喷射和鳍波动的高效、灵活的复合游动方式,成功地与鱼类竞技海洋;它们依靠肌肉性静水骨骼,活跃于从上千米的深海至海平面的广阔海域。[2]就当前水下仿生机器人的发展水平来看，现有水下仿生机器人的功能特性仍然与被模仿的生物存在很大差距。生物体本身结构复杂，其运动规律又难以观测，学科交叉方面也存在问题。这都限制了仿机器人的发展。在未来的发展中，应利用多学科优势并从生物性能出发，使得水下仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展，才能在生产生活中发挥更为重要的作用。[3]

2水下机器人分类(Thecategoriesofunderwaterrobot)

水下机器人在机器人学领域属于服务机器人类，它包括有缆遥控水下机器人(remotelyoperatedvehicles,ROV)和自主水下机器人(autonomousunderwatervehicles,AUV)2大类。此外由于载人潜水器在技术和功能上与水下机器人有共性,我们将其纳入水下机器人类。其实这3类机器人的主要差异在于操作模式，ROV是拴在宿主舰船上，由操作人员持续控制；AUV则是可经过编程航行至一个或多个航点，自带电能，不用缆线。美军在2014年搜寻马航客机残骸出动的“金枪鱼”就属于AUV。但是这两种类型的无人潜航器（UUV）同样都会涉及到包括仿生、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通讯、能源系统等六大技术。目前，水下机器人主要于水产养殖、水下结构勘查、水底残骸估测、救援、环境生态监测、水下摄影等领域。比如，在2011年的日本海啸后，就有使用大量的水下机器人帮助水产行业恢复；德国则是把“海獭”水下机器人用于近海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞等。

遥控式水下机器人(remotelyoperatedvehicles,ROV）ROV的能源和控制指令都由水面控制台提供，通过脐带缆传递给ROV。ROV的有点在于动力充足可以支撑复杂或大型的探测设备，信息采集和数据传送工作快捷方便，数据采集量大，由于其操作控制和信号处理等工作全部由水面的计算机和工作站来完成，人机交互水平高于AUV，所以ROV的总体决策能力要高于AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命线脐带缆，在短程操作中问题不大，但是在长距离水下作业中，脐带缆很容易与水下其他结构发生缠绕，当距离较长时，对ROV的动力也是一个很大的挑战。

图1列出了2002年和2008年遥控水下机器人数量按深度分布的情况。从图中可以看出：潜神小于1000m的机器人占总量的40%左右，这是由于绝大多数海洋资源在近海，近海水下生产活动多，需求量最大；中等潜深

（2000~4000m）的大约占26%主要服务于深水油气生产及大洋中脊的科研活动潜深大于7000m的占31%。

图1ROV按深度的数量分布（%）

(%)

注：图中深色为2002年数据，浅色为2008年数据，纵坐标为数量/总量的百分比，横坐标×1000m为深度。根据[4]数据绘制

自主水下机器人(Autonomousunderwatervehicles,AUV）

AUV涉及流体力学、水声学、光学、通信、导航、自动控制、计算机科学、传感器技术、仿生学等众多领域的高新技术，成为当代科技最新成果的结晶。AUV在水下通过各类传感器测量信号，经过机载CPU进行处理决策，独立完成各种操作，例如进行水下机动航行，动力定位，信息采集，水下探测等。通常这种机器人依靠水声通讯技术与岸基和船基进行联络，或者浮出水面，撑起无线电天线，与陆基和卫星进行通讯。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身携带可充电电池、燃料电池、闭式柴油机等。该类设备优点是活动范围可以不受空间限制，并且没有脐带缆，不会发生脐带缆与水下结构物缠绕问题，但是水下的续航能力和负载能力受到自身能源的强烈制约，只能完成