智能水下机器人关键技术研究

智能水下机器人关键技术研究智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第1页。INTRODUCTION水下无人航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，简称UUV）：按控制方式不同，可分为遥控水下机器人（RemotelyOperatedVehicle，ROV）和智能水下机器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）两种。智能水下机器人：一种可长期潜入水下，依靠自带能源、自推进、遥控或自主控制，通过配置任务载荷执行作业任务，能回收和反复使用的水下机器人。智能水下机器人是未来水下机器人技术发展的方向。智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第2页。CONTENTS设计制造技术能源与推进技术水下通信技术水下导航技术水下环境感知技术自动与智能技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第3页。PARTONE设计制造技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第4页。总体设计技术总体设计技术：根据预定的水下机器人性能要求，通过分析、研究、计算、绘图等工作，从选总体设计择主尺度、线型、排水量、能源和推进系统等方面，估算各种性能，选定有关材料、设备，直至完成制造、使用、维修所需图样和技术文件的过程。有如下分类。按装备研制过程：设计技术、制造技术和实验技术等；按组成和总体性能：布置设计优化技术、航行性能优化技术、结构性能优化与材料应用技术、仿生技术、隐身技术、任务载荷的适装性技术等。性能要求航行器技术规范模型试验基本设计详细设计施工海试使用数学模型仿真分析控制模型系统设计模型生成流体试验技术规范CAD/CAM设计详细技术规范绘图总体设计流程图智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第5页。航行性能优化技术智能水下机器人的航行性能：包括阻力性能、推进性能、操纵性能和耐波性能。优良的航行性能是水下机器人完成使命任务的重要保证。水下机器人可担负多种使命任务，不同的使命任务对其技术性能有不同的要求。水下机器人尺寸小，航速低，能源有限，受海洋环境影响大。因此，要求它具有良好的适应海洋环境变化的能力，优良的航行性能是其具备该项能力的重要方面。阻力性能耐波性能操纵性能推进性能智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第6页。载体模块化技术载体模块化技术：通常由载体结构、控制系统、导航系统、能源系统、推进系统、通信系统和任务载荷等组成。先进设计制造技术应用在智能水下机器人，主要体现在载体的模块化方面。目前大多数智能水下机器人都是载体外形一体化，内部设备进行模块化设计，在载体设计上主要考虑外形的水动力性能。为满足水下密封和承压的使用要求，他们通常使用耐压舱结构，耐压舱结构多为球壳结构和圆柱壳结构。耐压舱结构：布置电池、导航和控制等设备及传感器，多采用铝合金、钛合金、碳纤维等材料制成；非耐压结构：保证水下机器人具有较好的低阻低躁外形，确保水下机器人的稳定性，多采用玻璃钢、碳纤维等材料制成。推进系统能源系统控制系统导航系统通信系统任务载荷耐压舱结构载体结构智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第7页。结构材料应用技术耐压舱结构非耐压舱结构铝合金比强度高；低温性能好；无磁性；耐腐蚀性；良好成形性钛合金比重小；比强度高；耐腐蚀；低温性能好；弹性模量低碳纤维材料比重小；比强度高；耐腐蚀性能好；可设计性好；无磁性玻璃钢碳纤维材料铝合金钛合金碳纤维材料玻璃钢智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第8页。结构材料应用技术国外已经使用的水下无人航行器，其外层壳体结构材料主要采用钛合金、铝合金、碳纤维和玻璃钢，耐压舱结构材料主要采用钛合金、铝合金、碳纤维结构材料，部分如下表所示。外层壳体结构材料水下无人航行器型号耐压仓结构材料水下无人航行器型号钛合金REMUS6000、Hugin1000、URASHIMA钛合金、铝合金、碳纤维URASHIMA耐压舱结构采用钛合金材料；Explorer、Theseus、Manta耐压舱结构采用铝合金材料；Autosub、Tailsman耐压舱结构采用碳纤维材料；Hugin耐压舱结构采用钛合金材料或铝合金材料铝合金REMUS100、REMUS600、BPAUV、Bluefin–9、Bluefin–12、LMRS、NMRS、Theseus、Explorer、ARCS、Gavia、MT–8、OKPO6000、R1、R2D4碳纤维Talisman、Autosub–2、Iver、Hugin3000玻璃钢URASHIMA、Manta、SeaOtter钢MASTT--智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第9页。仿生技术斯坦福机器人实验室研发。它的背面安装了计算单元、电池、推进器，能像真人一样游泳。可以实现水下打捞等工作。美国人约瑟夫·艾尔斯发明，它可以探测水下矿藏。触须用来探测环境中的障碍物，8条腿可以向任何方向移动，爪子和尾巴可使其保持稳定。英国埃塞克斯郡大学设计，可持续勘测8小时，能够自动上报勘测位置的变化，并且无线传输勘测数据，西班牙海岸将增添4只这样的机器鱼负责巡逻工作，搜寻水中的污染物质。德国费斯托工程公司设计，通过内置在圆顶结构中的11个红外线发光二极管，可以彼此之间进行沟通联系，该公司使用机器水母测试大规模工程故障是否可以通过许多小型机器人系统制作来完成。仿生技术：通过观察、研究和模拟自然界生物各种各样的特殊本领，为科学技术中利用这些原理，提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术。水下生物的高效率、低噪声、高速度、高机动性等优点，使其成为了研究新型高速、低噪声、机动灵活的仿生水下无人航行器模仿的对象。目前大多模仿水下生物为鱼类、多足爬行动物和蠕虫等，也有模仿人类游泳方式的水下机器人。当前，水下机器人仿生技术在各水下机器人大赛中已经非常常见。智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第10页。PARTTWO能源与推进技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第11页。能源系统能源系统：为水下无人航行器运动提供动力源，为设备、仪表和任务载荷提供电源的各种装置的集合。能源是限制水下无人航行器作业的主要因素之一，通常限定航行器的任务参数，如续航能力、速度、工作深度和任务载荷。水下机器人能源系统采用蓄电池、燃料电池、太阳能电池和热气机等，使用以保证航行器具备安全航行和作业任务所需的独立能源。由于尺寸和安全的需求，蓄电池是水下机器人采用的主要能源方式。太阳能电池氢氧燃料电池锂电池热气机智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第12页。能源技术燃料电池蓄电池太阳能电池热气机锂离子电池能量密度高无电池记忆可靠、安全价格适中锂聚合物电池能量密度高每块电池充放电需控制镍金属电池便宜、安全、可用性好有记忆效应铅酸电池便宜、安全能量密度低主要能源方式水下无人航行器能源系统智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第13页。推进技术推进系统：为水下机器人前进、悬停、倒航等机动提供电源的各种装置的集合，属于水下机器人的基本系统。推进系统，通常由1个或多个推进电机和推进器构成，或者由1个或多个推进装置构成。水下无人航行器推进技术包括推进电机技术、推进器（或螺旋桨）技术，以及由推进电机和螺旋桨集成的推进装置技术等。中国海洋大学研发的普通螺旋桨的AUV淮海工学院研发的带有导管桨的ROV泵喷推进器装置智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第14页。推进技术目前水下无人航行器系统主要采用低噪声、高效率的螺旋桨作为推进器，少量系统采用滑翔式或喷水推进。螺旋桨的类型有固定、可变倾斜、对转等。固定螺旋桨：桨叶不能调整；可变倾斜螺旋桨：桨榖上的桨叶可以旋转，以呈现不同的倾斜，进而改变桨叶的攻角；对转螺旋桨：在一根轴上设置两组桨叶，这些桨叶按相反的方向旋转，后面的桨可以回收由前桨叶归于水的部分旋转能量，使它比单个桨叶更有效率。固定螺旋桨对转螺旋桨倾斜螺旋桨智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第15页。PARTTHREE水下通信技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第16页。水下通信技术水下通信技术是目前制约智能水下机器人发展的瓶颈技术。水下无线通信是研制海洋观测系统的关键技术，借助海洋观测系统，可以采集有关海洋学的数据，监测环境污染，气候变化海底异常地震火山活动，探查海底目标，以及远距离图像传输。水下通信：主要指在淡水、海水中的通信。像陆地上的通信一样，水下通信，也可分为有线通信和无线通信。有线通信包括光纤通信、以太网通信等；无线通信包括水声通信、无线电通信、卫星通信等。水下无线通信在军事中也起到至关重要的作用，而且水下无线通信也是水下传感器网络的关键技术。海洋观测传感网络军事应用智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第17页。水下无线通信技术水下无线通信技术主要可以分成三大类：水下电磁波通信、水下量子通信和水声通信，它们具有不同的特性及应用场合，如下表所示。水下电磁波通信水下量子通信水声通信简介电磁波是最常用的信息载体和探知手段，但是在水中，电磁波衰减严重，随着数字通信发展，射频技术应用于浅水近距离通信成为可能。通信距离一般为100米以内水下激光通信技术利用激光载波传输信息，波长450nm至530nm的蓝绿激光在水下的衰减较其他光波段小得多，蓝绿激光可作为窗口波段应用于水下通信水声通信利用声波作为传输载体，声波属于纵波，在水下传输的信号衰减小。目前广泛应用于水下通信、传感、探测、导航、定位等领域。通信距离几百米到几十公里优势通信速率高、传播速度快、延迟低；低的界面及障碍物影响、系统结构简单；低功耗、供电方便、安全性高最高传输速率，超近距离可达100Mbps；蓝绿激光通信方向性好，接收天线较小声波衰减慢、传播距离最远；可用于深水通信；技术相对成熟劣势传播距离短、不能满足远距离水下组网要求；受海水运动影响较大散射严重；光信号在水中吸收效应严重；背景辐射干扰大；高精度瞄准与实时跟踪困难多径效应严重；环境噪声影响大；通信速率低；多普勒效应、起伏效应等影响；无法跨越水与空气界面传播，受温度、盐度等参数影响大智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第18页。通信系统智能水下机器人通信系统不单单只有水下通信技术，往往是水声通信、无线电通信、卫星通信、光纤通信和以太网通信等的结合。主要用于水下机器人与水下机器人或者其他平台的通信，实现信息的双向传输。近距离利用光纤通信传输即时采集数据浮出水面利用无线电通信远距离利用水声通信超远距离利用卫星通信长基线卫星浮标基站控制中心浮标可作为通信中继站智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第19页。PARTFOUR水下导航技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第20页。导航定位技术智能水下机器人导航系统为航行器提供位置、航向、深度、速度和姿态等信息，以确保水下机器人航行安全航行、作业。应满足无人自主导航、长时间可靠工作、高精度定位、实时准确提供导航信息、小体积和低功耗组器件的要求。在多水下机器人协同作业时，还应有协同定位和协同导航的能力。水下无人系统的导航技术可以分为基于外部信息的导航和基于自身传感器的导航两类；基于外部信息的导航，如罗兰C、GPS、BDS、USBL、LBL等，适用于系统在水面航行或在水下航行但有水面支持母船的场合，传感器能接收到外部信号的情况下，才能得到导航数据；基于传感器的导航方式是当智能水下机器人在水下航行时，依靠系统内部的传感器进行导航而无需接受外部信号。该导航方式又可分为捷联惯导系统、船位推算、地形匹配、重力场导航等。智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第21页。基于外部信息的导航基于外部信息信息的导航也分为两种，分别是无线电定位和水声定位。其中无线电定位系统包括罗兰C导航系统和全球定位导航系统，由于水下信息传输的局限性，很多情况下水上定位信号无法直接使用，但是可以与其他方式进行组合定位。罗兰C导航系统：一种陆基、低频、脉冲相位导航体制的中远程精密双曲线无线电导航系统，作用距离可达2000公里，工作频率为100千赫。全球卫星导航系统：能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标和速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统，包括GPS、BDS、GLONASS和GALILEO等。PC（副台）B（副台）A（主台）

罗兰C导航系统原理图全球卫星导航系统智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第22页。基于外部信息的导航水声定位系统是指利用水声定位技术测定水面和水下工作系统位置的装置和设备的总称。由设置在海底的声应答器、响应器、声信标以及声呐系统构成。按应答器基阵或声呐系统接收基阵的基线长度，分为长基线系统（LBL）、短基线系统（SBL）和超短基线系统（USBL）三种基本系统。长基线系统声基线长度：100~6000米定位范围：>

10千米定位精度：2~3米短基线系统声基线长度：20~50米定位范围：几千米定位精度：<

1~5米超短基线系统声基线长度：<10厘米定位范围：几千米定位精度：1米智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第23页。基于自身传感器的导航基于自身传感器的导航分为捷联惯导系统、船位推算、地形匹配、重力场导航等。其中，船位推算方法利用多普勒计程仪或相关速度计加上罗经，给定初始位置坐标后根据航行时间以及航向，推算下一时刻坐标位置，原理与惯性导航系统类似。惯性导航技术是一种自主式的导航系统，可以在不与外界通信的条件下，全天候、全球范围内和任何介质环境里自主地、隐蔽地进行连续的三维定位和定向。二十世纪九十年代后期，随着光学陀螺和微型计算机技术的发展，捷联惯导系统的应用越来越普遍。惯导系统的缺点：存在随时间积累的位置误差，长时间航行需要参考信息的校正。惯导未来发展趋势：发展三维全监控惯性平台和静电陀螺监控系统；发展中、低精度惯性系统，扩大导航级惯性系统的应用范围；开展水下辅助惯性导航技术研究等。法国HYDRINS光纤罗经惯导国产iPos组合惯导系统智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第24页。基于自身传感器的导航地形匹配导航的原理是利用测深仪、声呐等水下地形探测设备，提取水下航行器下方地形特征值，把该特征值与事先存储在计算机里已知的高分辨率的地形图进行匹配，从而确定位置信息。地形匹配导航的优点：自主性强、隐蔽性好；基于已知水下地形信息，可以获得不亚于GPS的导航精度。地形匹配导航的缺点：必须事先勘测活动海域水下地形并记录下来，定位精度受限于先验地形图的精度。重力场导航是一种新型无源导航技术，其前提是有相当精度的重力分布图，其原理与地形匹配导航一样，都是利用实测数据对比先验基准数据的导航方法。类似的方法还有地磁匹配导航。地形匹配导航示意图全球重力场模型全球地磁场模型智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第25页。组合导航技术目前各种单一的导航方法，在精度、可靠性或者其他方面都或多或少存在不足，无法满足水下航行体发展的需要。因此低成本、高性能的组合导航系统成为水下航行未来导航技术发展的方向。国内外研究较多的水下组合导航系统集中在以惯导系统为主，辅以声学导航、重力匹配、地形、地磁匹配系统等。国外比较成熟的水下组合导航技术主要是捷联惯导系统（SINS）和多普勒速度声呐系统（DVS）的组合导航系统。丹麦与美国联合研制的MAPPOS多普勒/惯性水下定位系统，在距离海水深度不超过200m的条件下，定位精度可以达到航程的0.03％；KONGSBERG公司研发的Hugin3000智能水下机器人，配备惯性测量装置、光纤陀螺和运动传感器、压力传感器、多普勒声呐计程仪（DVL）、DGPS接收机等组合导航传感器，在海上试验中导航精度为：300m水深位置精度2.5m，1000m水深位置精度4.8m，2000m水深位置精度8.2m，3000m位置精度11.5m。KONGSBERG公司HuginAUVHugin3000导航系统结构DVL分解卡尔曼滤波器HRP/HiPAP和GPS对地速度速度误差差分-导航方程陀螺加速度计姿态局部速度位置位置误差差分-预报位置误差预报速度误差预报姿态误差INS智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第26页。协同导航技术多水下机器人系统（MultipleAutonomousUnderwaterVehicles，MAUV）是指有多个水下机器人组成的系统，系统中的个体通过某种形式的协作共同完成特定作业任务。多水下机器人凭借其空间分布性、执行任务中所体现出来的高效性、鲁棒性以及灵活性方面都具有单个水下机器人无法比拟的优势。多水下机器人系统分为并行式与主从式两种。并行式：每个AUV既可以单独进行定位导航，也可以进行相对定位，成本较高，并不实用。主从式：主AUV配备高精度水下导航系统，定位精度较高。从AUV通过水声测距获取相对主AUV的方位、距离信息，对自身定位结果进行修正。目前协同导航已经成为水下导航研究的一个新方向，美、英等国家已经进入应用阶段，而国内仍停留在理论分析与仿真实验阶段，代表性的研究机构有西北工业大学和哈尔滨工程大学。BLUEFIN-9BLUEFIN-12BLUEFIN-21美国协同导航系统CADRE“金枪鱼”AUV型号

主AUV从AUV主从式AUV协同导航智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第27页。PARTFIVE水下环境感知技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第28页。水下环境感知技术水下环境感知技术是指智能水下机器人通过搭载的光学和声学传感器对未知区域进行环境识别，由于水下环境自身的特殊性，使得智能水下机器人在环境感知方面的研究进展较慢。水下环境感知技术主要分为声呐目标探测技术和光学目标探测技术。声呐目标探测技术：主要指利用声呐原理和声呐系统设备对水中目标进行探测的技术。有如下分类：按声呐的原理：声呐目标主动探测技术、声呐目标被动探测技术；按探测目标可否成像：成像声呐技术、非成像声呐技术；按声呐功能：声呐目标检测技术、声呐目标跟踪技术、声呐目标识别技术和声呐目标定位技术。目前，使用较多的有多波束测深系统、侧扫声呐、合成孔径声呐、前视声呐和三维成像声呐等水声传感器。KONGSBERG公司合成孔径声呐成像图前视声呐示意图三维成像声呐智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第29页。水下环境感知技术光学目标探测技术：利用光学传感器以及图像处理方法对水中目标进行探测的技术。随着人工智能的快速发展，目标识别应用也越来越广泛。通过数学上的各种多维空间变换来估算目标的大小、形状、重量和表面层的物理特性参数，最后根据大量训练样本所确定的鉴别函数，在分类器中进行识别判决。目前来说，光学传感器比声学传感器在环境识别上更具有可实现性。但是水环境的特殊性对光学传感器有很大的限制，主要有以下四点：由于时间和水下深度的改变，水下的光线会产生一定的变化，会呈现出非均匀光照的特点；由于水中存在许多杂质和浮游粒子，会对水中的能见度产生比较大的影响，同时随着能见度的降低，探测距离也随之降低；水是天然的蓝绿滤波器，水下色彩会出现降维的特点；由于海流的作用，使得载体随波运动，从而造成图像模糊和不稳定的特点。金枪鱼：是一种大型远洋性重要商品食用鱼。智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第30页。PARTSIX自动与智能技术智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第31页。水下机器人与人工智能水下机器人与人工智能：为了满足未来民用和军用的需求，智能水下机器人需要具备足够的自主能力以保证其能够在作业过程中根据周围形势的变化及时作出正确的决策。自主能力的增强将会大大提高智能水下机器人系统作业的效率，降低风险，适时根据自身状态及外部环境的变化作出调整，从目前脚本式智能转变为自适应智能。智能水下机器人的自主性：指在很长时间内没有人员的输入系统仍能够运行，在完成指派任务并在适当会合点成功回收。这是智能水下机器人具有的感觉、认知、分析、通信、规划、决策和行动的能力。水下机器人与人工智能结合智能水下机器人关键技术研究全文共36页，当前为第32页。智能水下机器人系统智能水下机器人系统控制授权或有效载荷数据终端客户载荷控制器执行载荷规划控制载荷要素监视载荷状态监视/报告载荷PMFM跟踪环境感知处理载荷要素传感器记录执行结构自主控制器执行航行规划保持环境感知规划/重规划/优化监视航行规划保护高级系统安全机器人控制器控制航行器要素保护整个系统安全监视航行器状态监视/报告PMFM转播指令数据航行器要素能源推进导航通信记录声波发生器规划和控制子系统载荷子系统航行器子系统智能水下机器人系统更新遥控指令遥控指令局部指令局部指令机器人指令指令数据航行器要素状态航行器传感器数据指令数据载荷指令载荷导航数据载荷状态载荷PMFM传感器数据机动/指令请求更新指令状态要素传感器数据要素指令指令数据航行器要素导航数据等注：该系统来自美国F2541-06标准“StandardGuideforUnmannedUnderseaVehicles(UUV)