2011中国海洋油气勘探开发及技术装备研讨会-吴恭兴

2020/6/6,1,2011中国海洋油气勘探开发及技术装备研讨会,深海作业机器人的发展与关键技术演讲者：吴恭兴上海海事大学海洋环境与工程学院2011年11月10日,2020/6/6,2,报告主要内容,一、引言二、深海作业机器人的发展现状三、深海作业机器人的关键技术四、对未来深海作业机器人的展望五、结论,2020/6/6,3,一、引言,海洋的油气资源、生物资源、金属结核等矿物资源十分丰富，大部分在深海区域，并远未得到充分的开采。尚未开发的储量最大的一种新能源天然气水合物，广泛分布在世界2000米的深水海域；多金属结核分布在世界大洋底部水深3500-6000米海底表层。,石油可燃冰生物资源金属结核,2020/6/6,4,一、引言,国际能源机构最新统计数字表明，海洋油气总储量的44%蕴藏在大于2000米的深水区，在水深超过500米的大陆坡区已发现50多亿吨油当量的油气资源；另外，而中国海洋的油气资源中，70%又蕴藏于深海区域。,2020/6/6,5,一、引言,世界各国对深海油气、矿物资源的争夺越演越烈。深海作业机器人是一类能够在深海巨大压力环境下，安全可靠地进行海洋科学考察、取样、观察和海洋工程作业的特种潜水器。,美国“阿尔文”号深潜器,2020/6/6,6,一、引言,随着机器人技术的发展，出现各种类型的水下机器人。本文将对世界各国的深海作业水下机器人的发展现状进行分析，并介绍了水下机器人开发研究的关键技术。,AUV,UUV,ROV,ARV,2020/6/6,7,二、深海作业机器人的发展现状,无人遥控水下机器人ROVROV是目前技术最完善、使用最广泛的是水下机器人，它具有可实时操作、持续作业时间长、易回收、丢失风险小等优点，但其活动范围小、对操作员的要求较高。,美国的“GlobalExplorer”ROV（如图）的潜深为3000m，全系统重量约11吨，主要用于深海观察、采样等科学研究和调查，在紧急情况下，可以在数小时内运输到现场。,2020/6/6,8,二、深海作业机器人的发展现状,无人遥控水下机器人ROV“KAIKO”号ROV（如图2）是日本海洋技术研究所研制开发的世界上下潜深度最大的潜水器，主要用于深海考察、观测、救助和协助水下载人潜器等作业。,它可以完成水下摄像和照相、水下观测仪器的投放和回收，还可以通过机械手完成抓取、取样等水下作业任务。1995年3月24日，该ROV下潜到了马里亚娜海沟的最深处10911.4m，创造了新的世界潜深纪录。2003年6月，该潜水器在太平洋水域采集细菌生物时失踪。,2020/6/6,9,二、深海作业机器人的发展现状,无人遥控水下机器人ROV中国的“海龙”号是上海交通大学为中国大洋协会研制开发的潜深3500米的ROV。主要用于研究大洋深海生物基因和极端环境下微生物以及探索人类起源奥秘的考察。,其主要科考任务是在三大洋开展深海资源、生物多样性和环境调查，对调查区的地质、环境和生物多样性等进行深入评价。在2009年执行的大洋第21航次中，“海龙号”在东太平洋观察到了罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获到了多金属硫化物样品，完成了我国对深海热液烟囱进行的首次精确定点取样和观测。,2020/6/6,10,二、深海作业机器人的发展现状,无人无缆水下机器人UUVUUV是按预编程序航行、作业的水下机器人，其活动范围比ROV大，但没有AUV智能，可根据作业要求，搭载不同的任务模块，其机动能力强，可进行简单的规划与避碰。,美国的“ABE”UUV（如图）的最大潜深为6000m，考察时间大于50小时，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，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。,2020/6/6,11,二、深海作业机器人的发展现状,无人无缆水下机器人UUV日本东京大学开发的R2D4水下机器人（如图），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。,它依靠海底对机器人发出的声波的反射分析海底地形，并采集了岩石材料。这种机器人可自行躲避障碍，并拍摄高精确度图像。日本研究人员最近使用该机器人在印度洋海底发现了世界最大的熔岩平原。,2020/6/6,12,二、深海作业机器人的发展现状,智能水下机器人AUV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。,与遥控水下机器人相比，AUV具有自主执行使命、作业范围不受缆的约束、功能多样、隐蔽性好等优点。但AUV还没有达到成熟阶段，目前只有少数厂商能提供商业化产品。,2020/6/6,13,二、深海作业机器人的发展现状,复合型水下机器人ARV复合型机器人ARV是一种集AUV和ROV特点于一身的新概念机器人，既可以像AUV一样进行自主巡航来完成大范围搜索、探测、测量任务，又可以像ROV一样，通过水面遥控进行深海精细观测、作业。,典型的ARV，有美国“Nereus”号，可用于11000m深海的科学勘察和取样。它具有二种操作方式，在进行大范围的海洋勘察时，它以自治模式AUV运行，利用声呐和摄像设备进行海底探测和测绘，当目标初步确定后，它以ROV模式运行，对观测目标进行精细观察、拍摄和取样。,2020/6/6,14,三、深海作业机器人的关键技术,适应深海环境的声、光探测技术常用于水下环境探测的设备有声成像传感器和光成像传感器。声成像传感器占有主要地位，其关键技术在于研究高分辨率声纳图像检测及运动目标跟踪技术。根据水声专家的预测，激光成像是一种比较理想的手段，它具有微光成像的特点，探测距离又增加。水下激光成像主要研究激光成像特性及图像分析技术，以提高水下环境检测精度。研究高分辨率成像声纳和水下激光信息的融合技术，降低单一传感器的探测缺陷。还需研究高分辨成像声纳和水下激光成像的融合技术、并行定位和标图技术，实现实时、在线构建地图，提高对未知环境的探知能力。,2020/6/6,15,三、深海作业机器人的关键技术,适应复杂环境的运动控制技术复杂的海洋环境对运动控制系统提出了较高的要求。海洋中海流的大小与方向不仅与时间有关，而且随地点的不同而变化。因此，需要依据水下机器人系统复合执行机构的特征，研究能够自主适应海洋环境的运动控制问题，减小深海航行能耗和提高作业精度；并研究深海高速航行条件下的运动控制稳定性问题，为运载器控制算法的稳定性分析提供理论基础。,2020/6/6,16,三、深海作业机器人的关键技术,水下精确导航与定位技术水下精确导航与定位是主要的瓶颈技术之一。目前主要采用捷联惯性导航与多普勒速度声纳组合导航方式，它能提高系统的可靠性和容错性能。为弥补我国惯性导航仪器精度较低的缺陷，应通过对地磁匹配、重力场等地球物理导航及其与惯性组成的组合导航的理论与方法研究，使深海运载器导航系统具有无源性、智能化、自主性、高可靠性等特点，以满足复杂海洋环境下和不同任务要求的路径规划与任务规划等精确导航定位要求。,2020/6/6,17,三、深海作业机器人的关键技术,深海运载器的能源与动力技术水下运载器的续航能力主要是由所使用的电池决定的，电池性能的高低决定了它的续航能力。为了完成远距离、大深度的探测与作业需求，必须开展能够承受深海压力，并具有高能量密度的能源供给的关键技术研究，同时开展深海推进器的关键技术研究。,2020/6/6,18,三、深海作业机器人的关键技术,适应深海环境的作业工具及其协调控制技术水下作业是开发研究水下机器人的主要目的，其作业工具的实用性以及与机器人之间的协调控制需要进行深入研究。深海环境下的作业工具必须具有体积小、耗电省、重量轻、耐高压、耐腐蚀、多功能和换装方便的特点。因此，需要开展万米级深海作业关键技术研究，解决作业工具的机电一体化设计、结构密封设计、柔性作业功能设计、工具库的换装设计等。对于装备大型机械手的机器人，需解决机械手与机器人之间的水动力耦合影响及其协调控制问题。,2020/6/6,19,三、深海作业机器人的关键技术,深海作业机器人的多学科综合优化设计水下作业机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的多种专业学科，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。所以，需要着重研究基于多学科的综合优化设计，其载体不仅要具有耐压、水密和承受负载的能力，而且要具有低阻力、高推进效率和实现空间运动的能力。另外，在十分有限的空间，需配置不同性能的多种传感器和作业工具以满足环境探测、目标识别、安全自主航行和完成作业任务的需要。这些设备的系统集成设计要确保系统的信息流与控制流的正常工作，所以系统各个部分的电磁兼容和可靠性设计就显得十分重要。,2020/6/6,20,四、对未来深海作业机器人的展望,未来水下机器人的发展主要有两种趋势：一方面向大型化、大航程、智能化、多功能化发展，另一方面向微小型化、功能专业化发展。海洋环境是异常复杂的，这就要求水下机器人具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把目标、感知和行动智能化地结合起来，能在非特定的环境下作业。主要表现在以下几个方面：1、能够对复杂的水下环境进行快速识别、建模，从而围绕作业任务产生综合规划；2、能够根据不同的作业任务或情况，采取相应的措施和对策，实现从“人围绕机器人转”向“机器人围绕人转”的转变，操作员的工作将变得越来越轻松和高效4；3、实现多水下机器人进行联合探测、作业，并