水下机器人发展趋势

水下机器人的发展趋势关键词：水下机器人、智能水下机器人、智能系统、运动控制、通信导航、检测识别、高效能源随着人类海洋开发速度的加快，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，取得了空前的注意和发展。作者定义并分类了水下机器人。介绍了近年来国内外水下机器人的发展现状和发展趋势重点分析了智能水下机器人的主要关键技术和未来的发展方向地球的表面积为5.1亿km2，海洋的面积为3.6亿km2。占地球表面积71%的海洋是人类生存和发展的四大战略空间陆地、海洋、空白、天空转播陆地后的第二大空间，是能源、生物资源、金属资源的战略开发基地，但是现在最现实、发展潜力最大的空间。蓝色的土地海洋与人类的生存和发展密切相关，进入21世纪后，更强烈地感受到了人类面临的最现实的问题陆地资源的紧张压力。海洋是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世纪后半期开始，随着人类认识海洋、开发海洋、保护海洋的过程不断发展。为了在一般潜水技术难以接近的地区和深度执行各种任务而诞生的水下机器人将使海洋开发进入一个全新的阶段在人类争先恐后进军海洋的21世纪，水下机器人技术将受到空前的关注和开发，成为人类探索海洋的最重要手段1。1海洋对人类的重要性蓝色的土地海洋最先是沿海国家的“关口”，是联系远方的便利方法，“关口”的安全是国家安全的重要组成部分，早在两千五百多年前，古希腊海洋学家萨斯托克就提出了“谁控制海洋，谁控制一切”的建议。长期以来，为了大量的物资交易，依靠海上航线，现在世界上大部分的货物运输依赖于整个经济正常运行所需的海上运输。更重要的是，目前许多国家的石油和矿石等最基本的生产资料，大部分都取决于海上运输、海上运输的安全和海上运输外国的控制权成为一个国家生存的基本保障。近年来，海洋热潮再次掀起，陆地资源有限，很多资源正在枯竭，而海洋蕴藏着丰富的能源、矿产资源、生物资源、金属资源等，为了替代仅剩的陆地资源维持发展，开发这些资源迫在眉睫。更重要的是，地球上一半以上的面积是国际海域，该地区内的全部资源属于所有人类，不属于任何国家。但是目前，在确认的地区，只有少数优先考虑采矿权的国家垄断了部分资源。所以海洋已经成为国际战略竞争的焦点，国际海洋资源竞争是造福后代的伟大事业。因此水下技术是目前集中研究的尖端技术之一智能水下机器人作为高效的水下工作平台在海洋开发和利用中发挥着非常重要的作用2水下机器人的定义和分类2.1水下机器人的定义和概述水下机器人，也称为水下潜水器(UUV)，是在水中代替人执行某些任务的设备，而不是一般人认为的人形机器。外形更像袖珍潜艇，水下机器人的自身形态是根据水下工作要求设计的。陆地上的人类经过自然进化，有很多自身的形态特征是为了满足陆地运动、地壳、作战要求，所以大部分陆地机器人在外表上具有人性化的倾向，这符合仿生原理。水下环境是属于鱼类的“天下”，人类身体的形态特征与鱼类相比完全不利，因此水中运载体的仿生生物大部分体现在鱼类的仿生生物上。目前，水下机器人大部分是类似于定型潜艇的旋转细长身体，随着仿生技术的发展，甚至模仿鱼形态甚至运动方式的水下机器人会继续发展。水下机器人在未知、具有挑战性的海洋环境中工作，风、波、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有很大的影响，水下机器人的通信和导航位置非常困难，与陆地机器人最不同，是阻碍当前水下机器人发展的主要因素2 |。2.2水下机器人分类水下潜水器根据载人与否分为载人潜水器和无人潜水器。载人潜水器以人工输入信号操纵各种机动和动作，潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境，人工做出各种核心决定，从而容易处理各种复杂问题，但其优点是人类生命安全的危险会增加。载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全和生命维持系统，因此潜器大、系统复杂、成本高、工作环境受限等不利因素。无人水下潜水器是一种常说的水下机器人，没有载人的极限，更适合于长、宽、深的水下作业。无人潜水器可分为以下两类，具体取决于与睡眠支持系统的连接方式：(1)有线水下机器人或远程控制水下机器人(又称ROV)，ROV需要电缆从母舰获得动力，ROV不是完全自主的，需要人的介入，人们需要通过电缆远程控制ROV，电缆需要胎儿(2)无电缆的水下机器人AUV被称为自主式水下机器人或声水下机器人，它依靠自己的智能控制系统进行决策和控制，具有完成人们赋予的任务的电能和智能控制系统。AUV是下一代水下机器人，对经济及军事运用的远大展望，将许多国家智能水下机器人的研发提升到了日程上。电缆式水下机器人可以分为远程操纵，根据运动方式，拖曳式(海底)移动和浮游生物(自行)式三种。无有线水下机器人是自主的，可以根据自己的决策和控制力高效执行预定任务，具有广泛的应用前景，在一定程度上显示了当前水下机器人的发展趋势。2.3自主水下机器人自主水下机器人也称为智能水下机器人，是将人工智能、检测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面技术集中应用于同一水下载体，在没有人工实时控制的情况下，在复杂的海洋环境下完成预定任务的自主决策、控制机器人。俄罗斯科学家B.C .阿斯特丽德鲍夫等人撰写的水下机器人中，第三代智能水下机器人是高度人工智能的系统，其特点是具有高度的学习能力和自律能力，学习和自主适应外部环境变化。在执行任务的过程中不需要人为干预，给机器人指定任务后，自主决定行动方式和路径计划，军事领域的各种战术甚至战略任务也依赖自主决策。智能水下机器人能高效执行多种战略战术任务，具有广泛的应用空间，代表了水下机器人技术手术方向L3|。3国内外AUV发展现状和趋势3.1国内外AUV发展现状智能水下机器人(AuV)是一种无人参与的水下机器人(UUV)。无人水下航行器技术在军事和民间都不是新的。其开发于20世纪50年代，早期民间主要用于水文调查、海上石油和天然气开发等，军事方面主要用于打捞鱼雷等丢失的海底武器，之后在水雷战中大幅度发展为扫雷机构。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、指令和控制硬件、逻辑和软件技术的飞速进步，自主水下车辆有了很大发展。奥布摆脱了电缆的约束，在水下作战和作战中获得了更大的弹性，这种技术越来越受到发达国家的军事解决技术部门的关注。在过去的10多年里，水下技术发达的国家包括美国、日本、英国、法国、德国、加拿大、瑞典、挪威、冰岛、葡萄牙、丹麦、韩国、智能水下机器人具有在军事领域大幅提高作战效率的优越性，因此各国都高度重视军事用智能水下机器人的开发。著名的研究机构包括美国麻省理工大学MIT Sea GrantS AUV实验室，美国海军学院智能水下航行器研究中心，美国Woods ocean college美国海军学院AUV ARIES(图1)。2)主要用于研究智能控制、计划和导航、目标检测和识别等技术。图2(见密封2)是美国麻省理工学院的水下机器人Odyssey II，用于2.15米长、0.59米直径的两个特殊科学使命。为了理解北冰洋下的海冰机制，海冰下标；探测到中部海洋山脊上的火山爆发。美国的ABE(参见图3，密封2)最大潜在深度6，000米，最大速度2节(编辑注：1节=1海里/小时=1.852公里/小时)，巡航速度1节，调查距离30公里，调查时间在的情况下，长期执行海底科学考察任务，补充载人潜水器和无人遥控潜水器，组成科学的深海考察综合系统，为载人潜水器提供考察地的详细信息。日本开发的R2D4水下机器人(见图4，密封2)长4.4米，宽1.08米，高0.81米，重量1 506千克，最大深度4，000米，主要用于深海和热带海域的矿床勘探。可以自行收集资料，用于探测喷出热水的海底火山、沉船、海底矿产资源、生物等。远程环境监控设备(Remus)是美国Hydroid公司的一系列水下机器人(请参阅图5，密封2)。RE .MUS6000的操作深度为25-6000m，是表示自主水下探测器最高水平的高度模块化系统。中国对智能水下机器人技术的研究始于20世纪80年代中期，中国科学院沈阳自动化研究所和哈尔滨工业大学等主要研究机构。中国科学院沈阳自动化研究所江信松学者设计了“海因1”遥控式水下机器人测试时态。之后，在“863”项目的自动化领域，对潜在深度为1000米的“探险家号”智能水下机器人的论证和研究进行了非常有意义的探索性研究。哈尔滨工业大学的智力水系智能水下机器人突破了智能决策和控制等多个技术难关，各种技术标准接近工程适用水平。图6(见密封2)的哈尔滨工业大学“指数1 4”智能水下机器人在实际海洋环境中实现了自主水下目标识别和目标地图制作、自主安全航行路径规划、自主净化目标模拟等多种功能。图7(见密封2)是哈尔滨工业大学综合勘探智能水下机器人。目前，智能水下机器人已经在各研究机构和专业大学的同时开发工作中服役，系列，特别是中国科学院沈阳自动化研究所与俄罗斯一起完成了6，000米深的CR 1 01(见图8，密封2)和CR 1-02系列预编程方式的水下机器人，达到了实用水平。在工业设计、制造工艺、综合控制、目标检测、导航状态及通信领域，中国与水下技术发达国家相比有些差距，因此我们的水下机器人在实用上也有很大的限制。在相关领域在海外购买或租赁的水下机器人价格昂贵，辅助服务困难，还有很多没有特别开发的产品，不适合中国海域。因此，随着海洋开发和军事用途需求的增加，具有更实用价值的智能水下机器人的开发势在必行。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智能水下机器人的性能、使用方便性和通用性的提高、开发风险的降低、开发成本的降低、开发周期的缩短、批量生产的保证、智能水下机器人的整体设计标准化和模块化是今后的发展方向。在智能水下机器人的研发过程中，根据机械、电气、软件的标准接口和数据格式的要求，按模块进行整体布局和结构优化设计和施工。智能水下机器人是标准化和模块化设计的，每个系统都有文档记录，系统化，每个系统结合各个协作系统的特性进行了专门设计，以提高每个系统的集成水平，提高机器人的整体性能，通过模块化的组合，便于任务的扩展和重组。3.2.2高度智能由于智能水下机器人工作环境的复杂性和未知性，必须不断改进和改进现有的智能体系结构，提高对未来的预测能力，加强系统的自主学习能力，使智能系统更具未来性。关于如何提高水下机器人的智能水平的智能体系结构、环境意识和工作计划领域的一系列研究正在进行。新一代智能水下机器人将使用多种检测和识别模式提高环境识别和目标识别能力，以更智能的信息处理方式做出运动控制和计划决策。智能系统学习能力强，能与外部环境交互，最大限度地适应外部环境，有效地完成越来越依赖自己的各种工作，此时智能水下机器人成为名副其实的海洋智能机器人。3.2.3高效准确的导航定位传统的导航方法根据仪器精度和算法进行了优化，提高了精度，但根据基本原则确定的误差积累仍然无法消除，因此在工作中必须及时修改以确保精度。Gps提供精确的坐标数据，但暴露目标，容易封锁数据，不适合智能水下机器人。因此，必须开发适合于水下用途的非传统导航方法，如地形轮廓跟随导航、海底地形匹配导航、重力自匹配导航和其他地球物理导航技术。其中，海底地形匹配导航具有完整及时更新的电子海图的情况下，美国海军已经积极应用于潜艇和潜艇导航的非常有效、精密的水下导航方式。未来的水下导航