水下机器人发展概述.docx

学科前沿讲座水下机器人发展概述-船舶102 赵书孝 1005080224无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。 无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。特别是近10年来，无人遥控潜水器的发展是非常快的。从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中28艘用于工业服务。 无人有缆潜水器研制与发展无人有缆潜水器的研制开始于70年代，80年代进入了较快的发展时期。1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。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。在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。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。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。 无人有缆潜水器的发展趋势有以下几点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能，力反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。历史发展1934年，美国研制出下潜934米的载人潜水器。1953年又研制出无人有缆遥控潜水器。其后的发展大致经历了三个阶段。 第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。 第二阶段1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。 第三阶段1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人,成功地进行水下实验。研制与发展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。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。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。 1888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。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。据报导，在1993年前，这种穿越北极冰层的无人无缆潜水器将会问世，美国将建造两艘，英国也建造两艘，瑞典将建造一艘。 日本1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。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。 欧洲在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。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。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。 法国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。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。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。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。据报导，在1993年前，这种穿越北极冰层的无人无缆潜水器将会问世，美国将建造两艘，英国也建造两艘，瑞典将建造一艘。结构典型的遥控潜水器是由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体（见图）在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。功能潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。靠电缆向本体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动的干扰。新型潜水器从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。近年来开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。发展趋势无人有缆潜水器的发展趋势有以下见点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能，力反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力应用1.管道容器检查市政饮用水系统中水罐、水管、水库检查 排污/排涝管道、下水道检查 洋输油管道检查； 跨江、跨河管道检查 2.船舶河道海洋石油船体检修；水下锚、推进器、船底探查 码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查； 航道排障、港口作业 钻井平台水下结构检修、海洋石油工程； 3.科学研究教学水环境、水下生物的观测、研究和教学 海洋考察； 冰下观察 4.水下娱乐水下电视拍摄、水下摄影 潜水、划船、游艇； 看护潜水员，潜水前合适地点的选择 5.能源核电站反应器检查、管道检查、异物探测和取出 水电站船闸检修； 水电大坝、水库堤坝检修(排沙洞口、拦污栅、泄水道检修) 6.安全检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物以及结构好坏情况 遥控侦察、危险品靠近检查； 水下基阵协助安装/拆卸 船侧、船底走私物品检测(公安、海关) 水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等； 搜寻水下证据(公安、海关) 海上救助打捞、近海搜索； 7.考古水下考古、水下沉船考察 8.渔业深水网箱渔业养殖，人工渔礁调查。人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段，还有一些关键技术问题需要解决。无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展，其活动范围在2505000公里的半，径内。这就要求这种无人无缆潜水器有能保证长时间工作的动力源。在控制和信息处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这些问题都能解决了，那么无人无缆潜水器就能是名副其实的海洋智能机器人。海洋智能机器人的出现与广泛使用，为人类进入海洋从事各种海洋产业活动提供了技术保证。中国首次使用中国水下机器人首次在北冰洋海域冰下调查 ，“大洋一号”科学考察船第21航次自2009年7月18日从广州起航。就在开始不久的第三航段考察中，“大洋一号”首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。这一发现标志着我国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。 “鸟巢”黑烟囱区位于东太平洋赤道附近洋中脊扩张中心，水深约2700米，是2008年“大洋一号”第20航次第三航段在该区新发现的5个热液喷口区之一，因其地貌形态似国家体育场“鸟巢”而得名。 据第三航段首席科学家陶春辉介绍，依靠“大洋一号”船的精确动力定位，中国自主研制的水下机器人“海龙2号”准确降落抵达“鸟巢”黑烟囱区海底，并展开了摄像观察、热液环境参数测量。发现的巨大黑烟囱高达26米，直径约4.5米，顶部喷冒滚滚黑烟，烟囱外壁从底到顶有虾和管状蠕虫群落等热液生物，其周边分布着大小形态不一的黑烟囱群落，形成一个好似云南石林的海底地貌。 “大洋一号”已经圆满结束的一、二航段考察也取得了大量成果和资料，创造了声学深拖首次成功应用于大洋调查、首次取得高精度海底地形和浅地层资料、首次发现两类海山浅埋藏型成矿结壳、首次实现光缆浅钻成功取样等多项第一，为后续航段调查工作的顺利开展奠定了坚实基础。中国首款水下机器人 近日哈尔滨工程大学获悉，该校船舶工程学院大四学生李志富5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。 这款机器人近日获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。 据该团队成员陶春泽介绍，现有水下机器人大都单体运作成本高，人们期待能设计出一款具有较高通用性和经济性的水下机器人，可满足不同任务的需求。为此，该团队创造性地首次将“功能模块”理念应用于水下机器人的研发中，设计出了这款具有多种功能的水下机器人。他们开发出了多种可供使用者选择的模块，并在机体上预留功能模块安装空间，用户可根据使用需求安装相关模块，真正实现一体多用。目前，该团队已开发出水下维修、水下考古、自主避障、海底光缆铺设等模块。下一步，他们还将添加“水质清理”模块，用于实验室水池水质净化、池壁维修检测等。 目前的水下机器人推进器多采用轴传动和电磁耦合两类，存在着密封性能不好、可靠性低、效率低等不足。为此，该团队潜心研发设计出永磁式平面磁传动推进器，利用磁铁异性相吸的原理进行传动，以静密封替代传统动密封，避免了因动密封产生摩擦生热，大大提高了机器人可靠性，节约资源的同时也提高了效率。同时，使用永磁铁改变了电磁铁耗能与不稳定的弊端，具有能耗低、效率高、转动稳定等优点。水下环境复杂，压力大，为确保控制舱室密封性能，该团队还设计采用了圆柱形耐压舱结构，并自主设计了全新的水密接插件，同市场上现有成品水密接插件相比，该改装水密接插件成本仅为其1/20左右。系列产品VideoRay Scout系统： 深度: 最大工作水深76米 速度： 最大行进速度0.98米/秒 潜器: 摄像头：420线分辨率、0.3lux彩色摄像头(广角、固定焦距) 照明灯： 2个20W卤素灯，灯光可调 脐带缆: 40米零浮力脐带缆 控制台： 显示: 5寸液晶显示屏 输出： 有视频输出接口,可接记录设备 选件: 加长脐带缆、TDS脐带缆收放系统、12伏800瓦逆变器、便携式电源包、现场维修备件包。 VideoRay Explorer系统：深度： 最大工作水深76米；可自动定深 速度： 最大行进速度0.98米/秒 潜器： 摄像头: 570线分辨率、0.3lux彩色摄像头(广角可调焦)；180度俯仰“摇头” 照明灯： 2个20瓦卤素灯 传感器： 深度压力传感器、罗经、开机时间累加计数器 脐带缆： 76米零浮力脐带缆 控制台： 显示：5寸液晶显示屏 输出：有视频输出接口，可接记录设备 选件：加长脐带缆、TDS脐带缆收放系统、12伏800瓦逆变器、便携式电源包、现场维修备件包。 VideoRay Pro系统：深度： 最大工作水深152米；可自动定深 速度： 最大行进速度1.34米/秒 潜器: 摄像头： 前面:570线分辨率、0.3lux彩色(广角可调焦)摄像头；180 度俯仰“摇头” 后面：430线分辨率、0.1lux黑白摄像头 照明灯: 前面：2个20瓦卤素灯 后面:超高亮度LED灯阵 传感器： 深度压力传感器、罗经、开机时间累加计数器 其它：有传感器接口 脐带缆：76米零浮力脐带缆 控制台：显示： 用户自行配置显示器 输出：有视频输出接口，可接显示、记录设备 选件：加长脐带缆、TDS脐带缆收放系统、12伏800瓦逆变器、便携式电源包、100毫米大推力水平推进器、15寸大屏幕显示器、大浮材(用于增加传感器)、计算机(无线或互联网)控制、音频注释系统、记录设备、机械手、目标尺度估计激光器、专业电池包、现场维修备件包、定位系统、图像声纳、辐射传感器、金属测厚计、多参数水质检测传感器等。 VideoRay Pro3 XE系统：深度： 最大工作水深152米；可自动定深 速度： 最大行进速度1.34米/秒 电源： 包含12VDC、800瓦逆变器，可用直流供电 潜器： 摄像头: 前面：570线分辨率、0.3lux彩色(广角可调焦)摄像头；180 度俯仰“摇头” 后面:430线分辨率、0.1lux黑白摄像头 照明灯： 前面:2个20瓦卤素灯 后面：超高亮度LED灯阵 传感器: 深度压力传感器、罗经、开机时间累加计数器 其它：包含大浮材(用于增加传感器)、有传感器接口 脐带缆：116米零浮力脐带缆；包含TDS脐带缆收放系统 控制台： 显示：15寸液晶显示屏 输出： 有视频输出接口，可接显示、记录设备 记录： 包含记录设备，需要但不包含笔记本 其它：包含计算机控制、无线控制 选件：加长脐带缆、便携式电源包、100毫米大推力水平推进器、音频注释系统、机械手、目标尺度估计激光器、专业电池包、现场维修备件包、定位系统、图像声纳、辐射传感器、金属测厚计、多参数水质检测传感器等。 VideoRay Pro3 XE GTO与VideoRay Pro3 XE性能一样，区别在于Pro3 XE GTO上安装的是100毫米的大推力水平推进器，相应的机器人最大行进速度达到2.10米/秒并且选件中可加多波束声纳。 VideoRay Deep Blue XE系统： 深度：最大工作水深305米；可自动定深 速度： 最大行进速度2.10米/秒 电源: 包含12VDC、800瓦逆变器，可用直流供电 潜器： 摄像头：前面：570线分辨率、0.3