水下机器人概述和发展应用前景

机器人相关

◇电子科技◇2010年第24期

水下机器人概述和发展应用前景

周凯易杏甫

（杭州应用声学研究所浙江富阳

311400）

【摘要】本文介绍了水下机器人的用途及关键技术，展望了TUV、ROV等设备发展的应用前景。【关键词】水下机器人；现状；应用

1.水下机器人的种类及国内现状

1.1水下机器人的种类

水下机器人是一种具有智能功能的水下潜器，国内外专家学者根据其智能化程度和使用需求，将水下机器人分为四类：即拖曳式水下机器人TUV(TowingUnderwaterVehicle)、遥控式水下机器人ROV(RemotelyOperatedVehilce)、无人无缆水下机器人UUV(UnmannedUnderwaterVehicle)和智能水下机器人AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)。前两种水下机器人均带缆，由母船上人工控制；后两种水下机器均无人无缆，自主航行，分别由预编程控制和智能式控制。

1.2国内现状

目前国内研究水下机器人的单位较多，内容也五花八门，但代表国内先进水平的、真正进入实质性试验阶段的仅此几家。它们是：哈尔滨工程大学研制的智能水下机器人AUV，中科院沈阳自动化所研制的无人无缆水下机器人UUV，上海交通大学研制的遥控式水下机器人ROV和中船重工715所研制的拖曳式水下机器人TUV。

2.水下机器人应用前景

水下机器人的应用领域已经不断扩大，如海洋研究、海洋开发和水下工程等，发达的军事大国非常重视水下机器人在未来战争中的应用。水下机器人将成为未来水下战争中争夺信息优势、实施精确打击与智能攻击、完成战场中特殊作战任务的重要设备之一。

目前正处于飞速发展阶段。2.1海洋资源的研究和开发

占地球表面积71%的海洋是是一个富饶而远未得到开发的资源宝库，也是兵戎相见的战场。21世纪，人类面临人口膨胀和生存空间、陆地资源枯竭和社会生产增长、生态环境恶化和人类发展的三大矛盾挑战，要维持自身的生存、繁衍和发展，就必须充分利用海洋资源，这是无可回避的抉择。对人均资源匮乏的我国来说，海洋开发更具有特殊意义。因此，水下机器人将在海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究中发挥重要作用。

2.2未来战争中的作用

零伤亡是未来战争中的选择，因而使得无人武器系统在未来战争中的地位倍受重视，其潜在的作战效能越来越明显。作为无人武器系统重要组成部分的水下机器人能够以水面舰船或潜艇为基地，在数十或数百里的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯，将大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间。尤其是自主航行的水下机器人，它们能够更安全地进入敌方控制的危险区域，能够以自主方式在战区停留较长的时间，是一种效果明显的兵力倍增器。更重要的是，在未来的战争中，“以网络为中心”的作战思想将代替“以平台为中心”的作战思想，水下机器人将成为网络中心站的重要节点，在战争中发挥越来越重要的作用。目前各国重点研究的应用包括：水雷对抗、反潜战、情报收集、监视与侦察、目标探测和环境数据收集等。

3.水下机器人关键技术

3.1总体技术

水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，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。解决这些矛盾除有很强的系统概念外，还需加强协调。在满足总体技术要求的前提下，各单项技术指标的确定要相互兼顾。

为适应较大范围的航行，从流体动力学角度来看，水下机器人的外形采用低阻的流线型体。结构尽可能采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料。

3.2仿真技术

水下机器人工作在复杂的海洋环境中，由智能控制完成任务。由于工作区域的不可接近性，使得对真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分：

3.2.1平台运动仿真

按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。在建立运动数学模型、确定边界条件后，用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应，根据技术指标评估平台的运动状态，如有差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,……,直至满足要求为止。

3.2.2控制硬、软件的仿真

在水中对控制系统的调试和检测具有很大的风险，因此有必要在控制硬、软件装入平台前，在实验室内先对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。根据结果，进行修改和完善。因而需研究和开发一套用于控制系统仿真的仿真器。仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通讯接口、仿真工作站等组成。在仿真器上对控制系统的仿真，可以减少湖海试时的调试工作量，避免由海中不确定因素带来的麻烦。

3.3水下目标探测与识别技术

目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。

3.3.1合成孔径声纳

用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等，为水下机器人提供一种性能很好的探测手段。

3.3.2前视声纳组成的自主探测系统

前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。可以通过实验，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库，在目标图像像素点较少的情况下，较好的解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。

3.3.3三维成像声纳

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用于水下目标的识别的三维成像声纳，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。

3.4智能控制技术

智能控制技术是提高水下机器人的自主性，在复杂的海洋环境中完成各种任务，因此研究水下机器人控制系统的软件体系、硬件体系和控制技术十分重要。

智能控制技术的体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。体系结构的目标与水下机器人的研究任务应是一致的，也是提高智能水平（自主性和适应性）的关键技术之一。不断改进和完善体系结构，加强对未来的预报预测能力，使系统更具有前瞻性和自主学习能力。

3.5规划与决策技术

规划与决策是指对自主式水下机器人在有海流区域工作时姿态和路径的规划与决策，主要确保水下机器人工作时艏向严格顶流。有两种路径规划方法，一种是坐标系旋转法，基本思想是将坐标系绕着Z轴旋转，直到X正半轴方向指向来流方向，在工作中保证机器人的姿态始终与X正半轴方向一致。另一种是基于栅格的位形空间激活值传播法。该方法能方便地实现各种优化条件，并适用于各种复杂的环境，具有较佳的控制生成路径能力和可扩展性，而且算法本身具有内在的并行性，很好地满足了机器人艏向尽量顶流的要求，

3.6水下导航(定位)技术

用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等，由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统，该系统无论从价格上、尺度上和精度上都能满足水下机器人的使用要求，国内外都在加大力度研制。

3.7通讯技术

协调和回收等，水下机器人为了有效的监测、传输数据﹑

需要通讯。目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。

3.7.1光纤通讯

水下光端机﹑光缆组成。其优点是数据由光端机（水面）﹑

率高（100Mbit/s），很好的抗干扰能力。缺点，限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人TUV、ROV。

3.7.2水声通讯

由于声波在水中的哀减慢，对于需要中远距离通讯的水下机器人，水声通讯是唯一的、比较理想的一种方式。实现水

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声通讯最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难关。要达到实用程度，仍然有大量的工作要做。

3.8能源系统技术

水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，需要具有体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本的能源系统。

3.8.1热系统

热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源是现今一种比较实用的方法。

3.8.2电-化能源系统

质子交换膜燃料电池具有水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。该电池技术难点是合适的安静泵、气体管路布置、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储。21世纪燃料电池将极大地改变人们的生活和企业环境。随着生产成本、稳定性等课题得到解决，燃料电池可望成为水下机器人的主导性能源系统。

4.结语

毫无疑问，在海洋开发和末来战争中，水下机器人起着举足轻重的作用。目前国内的水下机器人(主要是AUV、UUV)还处于研制试验阶段，很多关键技术还没有突破，离实际使用尚有一段距离。要瞄准目标，抓住时机，开拓创新，争取在水下机器人这一领域拥有更多的自主技术。科

(上接第280页)应避免此现象的发生。

2.2上传文档类型的选择

在MIS系统中当需要挂接附件时，则必须在该单据页面

下选择关联文档的按钮，然后就是选择上传文档的类型。在电力工程中定义的文档类型中，质量监督记录和技术文件是比较容易混淆的，刚开始运行的时候，可能存在因对这两个概念的理解不是很清楚，造成上传的文档在审核时无法查看。

2.3工程联系单类型的选择

在电力工程中的工程联系单可以分为三种类型，第一种是由施工单位发出的，第二种是由监理单位发出的，第三种则是由建设单位发出的。在运行期间，未对工程联系单的类型进行分类，造成联系单的审核程序比较混乱，必须加以区分。

2.4文档的修改

上传文档的修改是相当麻烦的，而且容易造成程序不能正常运行、死机等现象。这与操作人员的水平无关，而是MIS系统本身的一个缺陷，因为修改文档时是直接在服务器上进行的，从而造成服务器比较繁忙，甚至出现死机等现象。所以在文档挂接错误时，应尽量避免直接进行修改，而是与管理人

员取得联系，将此文档删除，重新挂接新的文档。

2.5项目编码必须唯一，编码规则必须提前制定

单据和编码必须是一一对应，且同类型单据的编码规则必须是一致的，否则会造成编码混乱、没有规律性，在查询的时候比较复杂。在MIS系统应用之前，就必须制定出编码规则，且保证编码的唯一性、规律性。

2.6系统的安全性要保障

大凡上过网的人都知道，系统的安全性是非常重要的，否则一旦受到病毒、黑客等的攻击，系统便会瘫痪。在MIS系统运行期间，若某台电脑感染了病毒，则通过文档上传等便会使整个MIS系统感染病毒，处于瘫痪状态。所以，建议开发商在提高MIS系统安全性能方面多下点功夫，同时MIS系统运行人员的电脑尽量避免上一些不正规的网站。科

【参考文献】

［1］IFS培训教材.北京用友艾福斯软件系统有限公司.［2］黄梯云.管理信息系统,2005,(3).

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