水下机器人发展趋势

水下机器人发展趋势关键词：水下机器人、智能水下机器人、智能体系、运动控制、通讯导航、探测识别、高效能源随着人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。作者对水下机器人进行了定义与分类。介绍了近年来国内外水下机器人的发展现状与发展趋势，重点针对智能水下机器人的主要关键技术及未来发展方向进行了分析。地球的表面积为5．1亿km2，而海洋的面积为3．6亿km2。占地球表面积71％的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间——陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且是最具发展潜力的空间。作为蓝色国土的海洋密切关系到人类的生存和发展，进入21世纪后，人类更加强烈的感受到陆地资源日趋紧张的压力，这是人类面临的最现实的问题。海洋即将成为人类可持续发展的重要基地，是人类未来的希望。水下机器人从20世纪后半叶诞生起，就伴随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程不断发展。专为在普通潜水技术较难到达的区域和深度执行各种任务而生的水下机器人，将使海洋开发进人一个全新的时代，在人类争相向海洋进军的21世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段必将得到空前的重视和发展[1]。1海洋对人类的重要性海洋作为蓝色国土，首先是一个沿海国家的“门户”，是其与远方联系的便捷途径，并且“门户”的安全是国家安全的重要组成部分，早在2500多年前古希腊海洋学家锹未斯托克就提出过“谁控制了海洋，谁就控制了一切”。很久以来人们就依赖于海洋航道进行大量的物品贸易，现在整个世界大部分的货物运输都依赖于海上运输，海洋运输是整个经济正常运转必要的一环。更重要的是，现在很多国家的石油、矿石等最基本的生产资料大部分都依赖于海洋运输，海洋运输的安全和对海洋的控制力成为一个国家生存的基本保障。近年来再次掀起海洋热的浪潮是因为陆上的资源有限，很多资源已经开发殆尽，而海洋中蕴藏着丰富的能源、矿产资源、生物资源和金属资源等，人们急需开发这些资源以接替所剩不多的陆上资源来维持发展。更为重要的是，地球上半数以上面积的海洋是国际海域，这些区域内全部的资源属于全体人类，不属于任何国家。但目前的现状是只有少数国家有能力对这些资源进行初步开采，这些国家在其已探明的区域拥有优先开采权，相对于那些没有能力开采的国家这几乎就等于独享这部分资源。因此海洋已经成为国际战略竞争的焦点，争夺国际海洋资源是一项造福子孙后代的伟大事业。所以水下技术成为目前重点研究的高新技术之一，智能水下机器人作为高效率的水下工作平台在海洋开发与利用中起到至关重要的作用。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入水下潜水器(unmannedun．derwatervehicles，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|。2．2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(remotelyoperatedvehicle，简称ROV)，ROV需要由电缆从母船接受动力，并且ROV不是完全自主的，它需要人为的干预，人们通过电缆对ROV进行遥控操作，电缆对RoV像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是由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(autonomousunderwatervehicle，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L3|。3国内外AUV的发展现状与趋势3．1国内外AUV的发展现状智能水下机器人(AuV)是无人水下机器人(UUV)的一种。无人水下航行器技术无论在军事上、还是民用方面都已不是新事物，其研制始于20世纪50年代，早期民用方面主要用于水文调查、海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器(如鱼雷)，后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。20世纪80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，自主式水下航行器得到了大力发展。由于AUV摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。在过去的十几年中，水下技术较发达的国家像美国、日本、俄罗斯、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、意大利、挪威、冰岛、葡萄牙、丹麦、韩国、澳大利亚等建造了数百个智能水下机器人，虽然大部分为试验用，但随着技术的进步和需求的不断增强，用于海洋开发和军事作战的智能水下机器人不断问世。由于智能水下机器人具有在军事领域大大提升作战效率的优越性，各国都十分重视军事用途智能水下机器人的研发，著名的研究机构有：美国麻省理工学院MITSeaGrant’SAUV实验室、美国海军研究生院(NavalPostgraduateSch001)智能水下运载器研究中心、美国伍慈侯海洋学院(WoodsHoleoceanographicInstitute)、美国佛罗里达大西洋大学高级海洋系统实验室(AdvancedMarineSystemsLa—boratory)、美国缅因州大学海洋系统工程实验室(MarineSystemsUnderwaterSystemsInstitute)、美国夏威夷大学自动化系统实验室(AutonomousSystemsLaboratory)、日本东京大学机器人应用实验室(UnderwaterRoboticsApplicationLaboratory(URA))、英国海事技术中心(MarineTechnologyCenter)等。美国海军研究生院AUVARIES(图1。见封二)，主要用于研究智能控制、规划与导航、目标探测与识别等技术。图2(见封二)是美国麻省理工学院的水下机器人OdysseyII，它长2．15m，直径为0．59m，用于两个特殊的科学使命：①在海冰下标图，以理解北冰洋下的海冰机制；②检测中部大洋山脊处的火山喷发。美国的ABE(图3，见封二)最大潜深6000m，最大速度2节(编者注：1节=1海里／时=1．852km／h)，巡航速度1节，考察距离≥30km，考察时间≥50h，能够在没有支持母船的情况下，较长时间地执行海底科学考察任务，它是对载人潜水器和无人遥控潜水器的补充，以构成科学的深海考察综合体系，为载人潜水器提供考察目的地的详细信息。日本研制的R2D4水下机器人(图4，见封二)长4．4m，宽1．08m，高0．81m，重1506kg，最大潜深4000m，主要用于深海及热带海区矿藏的探察。能自主地收集数据，可用于探测喷涌热水的海底火山、沉船、海底矿产资源和生物等。REMuS(remoteenvironmentalmonitoringunits，远距离环境监测装置)是美Hydroid公司的系列水下机器人(图5，见封二)。RE．MUS6000工作深度为25～6000m，是一个高度模块化的系统，代表了自主式水下探测器的最高水平。中国智能水下机器人技术的研究开始于20世纪80年代中期，主要研究机构包括中国科学院沈阳自动化研究所和哈尔滨工程大学等。中国科学院沈阳自动化研究所蒋新松院士领导设计了“海人一号”遥控式水下机器人试验样机。之后“863”计划的自动化领域开展了潜深1000m的“探索者号”智能水下机器人的论证与研究工作，做出了非常有意义的探索性研究。哈尔滨工程大学的智水系列智能水下机器人已经突破智能决策与控制等多个技术难关，各项技术标准都在向工程可应用级别靠拢。图6(见封二)的哈尔滨工程大学“智水一4”智能水下机器人在真实海洋环境下实现了自主识别水下目标和绘制目标图、自主规划安全航行路线和模拟自主清除目标等多项功能。图7(见封二)是哈尔滨工程大学的综合探测智能水下机器人。目前通过各科研机构和大专院校的同期研制工作，智能水下机器人已经服役并正在形成系列，特别是中国科学院沈阳自动化研究所与俄罗斯合作的6000m潜深的CR一01(图8，见封二)和CR一02系列预编程控制的水下机器人，已经完成了太平洋深海的考察工作，达到了实用水平。由于在工业设计、制造工艺、综合控制、目标探测、导航地位和通讯等领域中国同水下技术发达的国家相比还有一定差距，致使我们的水下机器人在实际应用中还有较大限制。相关领域从国外购买或租赁的水下机器人不但价格高，配套服务难，而且很多产品并不是专门开发的，并不适合中国海域的使用。所以随着海洋开发和军事用途需求的不断增长，开发更具有实用价值的智能水下机器人势在必行。3．2智能水下机器人的发展趋势3．2．1整体设计的标准化和模块化为了提升智能水下机器人的性能、使用的方便性和通用性，降低研制风险，节约研制费用，缩短研制周期，保障批量生产，智能水下机器人整体设计的标准化与模块化是未来的发展方向。在智能水下机器人研发过程中依据有关机械、电气、软件的标准接口与数据格式的要求，分模块进行总体布局和结构优化的设计和建造。智能水下机器人采用标准化和模块化设计，使其各个系统都有章可依、有法可循，每个系统都能够结合各协作系统的特性进行专门设计，不但可以加强各个系统的融合程度，提升机器人的整体性能，而且通过模块化的组合还能轻松实现任务的扩展和可重