水下機(jī)器人
水下機(jī)器人是一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人，也稱無(wú)人遙控潛水器。水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人的潛水深度有限，所以水下機(jī)器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。
無(wú)人遙控潛水器主要有：有纜遙控潛水器和無(wú)纜遙控潛水器兩種，其中有纜遙控潛水器又分為水中自航式、拖航式和能在海底結(jié)構(gòu)物上爬行式三種。
發(fā)展歷程 編輯本段
從1953年至1974年為第一階段，主要進(jìn)行潛水器的研制和早期的開發(fā)工作。先后研制出20多艘潛水器。[2]其中美國(guó)的CURV系統(tǒng)在西班牙海成功地回收一枚氫彈，引起世界各國(guó)的重視。
1953年第一艘無(wú)人遙控潛水器問世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘無(wú)人遙控潛水器。[7]特別是1974年以后，由于海洋油氣業(yè)的迅速發(fā)展，無(wú)人遙控潛水器也得到飛速發(fā)展。
無(wú)人有纜潛水器的研制80年代進(jìn)入了較快的發(fā)展時(shí)期。1975至1985年是遙控潛水器大發(fā)展時(shí)期。到1981年，無(wú)人遙控潛水器發(fā)展到了400余艘，其中90%以上是直接或間接為海洋石油開采業(yè)服務(wù)的。海洋石油和天然氣開發(fā)的需要，推動(dòng)了潛水器理論和應(yīng)用的研究，潛水器的數(shù)量和種類都有顯著地增長(zhǎng)。載人潛水器和無(wú)人遙控潛水器（包括有纜遙控潛水器、水底爬行潛水器、拖航潛水器、無(wú)纜潛水器）在海洋調(diào)查、海洋石油開發(fā)、救撈等方面發(fā)揮了較大的作用。
1985年，潛水器又進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。80年代以來(lái)，中國(guó)也開展了水下機(jī)器人的研究和開發(fā)，研制出
“海人”1號(hào)(HR-1)水下機(jī)器人，成功地進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)。1988年，無(wú)人遙控潛水器又得到長(zhǎng)足發(fā)展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。這個(gè)時(shí)期增加的潛水器多數(shù)為有纜遙控潛水器，大約為800艘上下，其中420余艘是直接為海上池氣開采用的。無(wú)人無(wú)纜潛水器的發(fā)展相對(duì)慢一些，只研制出26艘，其中工業(yè)用的儀8艘，其他的均用于軍事和科學(xué)研究。另外，載人和無(wú)人混合理潛水器在這個(gè)時(shí)期也得到發(fā)展，已經(jīng)研制出32艘，其中28艘用于工業(yè)服務(wù)。
水下機(jī)器人
1980年法國(guó)國(guó)家海洋開發(fā)中心建造了“逆戟鯨”號(hào)無(wú)人無(wú)纜潛水器，最大潛深為6000米。“逆朗鯨”號(hào)潛水器先后進(jìn)行過130多次深潛作業(yè)，完成了太平洋海底錳結(jié)核調(diào)查海底峽谷調(diào)查、太平洋和地中海海底電纜事故調(diào)查、洋中脊調(diào)查等重大課題任務(wù)。1987年，法國(guó)國(guó)家海彈開發(fā)中心又與一家公司合作，共同建造“埃里特”聲學(xué)遙控潛水器。用于水下鉆井機(jī)檢查、海底油機(jī)設(shè)備安裝、油管輔設(shè)、錨纜加固等復(fù)雜作業(yè)。這種聲學(xué)遙控潛水器的智能程度要比“逆戟鯨”號(hào)高許多。
水下機(jī)器人
1987年，日本海事科學(xué)技術(shù)中心研究成功深海無(wú)人遙控潛水器“海鲀3K”號(hào)，可下潛3300米。研制“海鲀3K”號(hào)的目的，是為了在載人潛水之前對(duì)預(yù)定潛水點(diǎn)進(jìn)行調(diào)查而設(shè)計(jì)的，供專門從事深海研究的，同時(shí)，也可利用“海鲀3K”號(hào)進(jìn)行海底救護(hù)。“海鲀3K”號(hào)屬于有纜式潛水器，在設(shè)計(jì)上有前后、上下、左右三個(gè)方向各配置兩套動(dòng)力裝置，基本能滿足深海采集樣品的需要。1988年，該技術(shù)中心配合“深海6500”號(hào)載人潛水器進(jìn)行深海調(diào)查作業(yè)的需要，建造了萬(wàn)米級(jí)無(wú)人遙控潛水器。這種潛水器由工作母船進(jìn)行控制操作，可以較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行深海調(diào)查。這種潛水器可望在1992年內(nèi)建成，總投資為40億日元。日本對(duì)于無(wú)人有纜潛水器的研制比較重視，不僅有研究項(xiàng)目，而且還有較大型的長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃。
1990年，無(wú)人無(wú)纜潛水器研制成功，定名為“UUV”號(hào)。這種潛水器重量為6.8噸，性能特別好，最大航速10節(jié)，能在44秒內(nèi)由0加速到10節(jié)，當(dāng)航速大于3節(jié)時(shí)，航行深度控制在土1米，導(dǎo)航精度約0.2節(jié)/小時(shí)，潛水器動(dòng)力采用銀鋅電池。這些技術(shù)條件有助于高水平的深海研究。另外，美國(guó)和加拿大合作將研制出能穿過北極冰層的無(wú)人無(wú)纜潛水器。
中國(guó)水下機(jī)器人2009年首次在北冰洋海域冰下調(diào)查。“大洋一號(hào)”科學(xué)考察船第21航次就在開始不久的第三航段考察中，“大洋一號(hào)”首次使用水下機(jī)器人“海龍2號(hào)”在東太平洋海隆“鳥巢”黑煙囪區(qū)觀察到罕見的巨大黑煙囪，并用機(jī)械手準(zhǔn)確抓獲約7千克黑煙囪噴口的硫化物樣品。[6]這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著中國(guó)成為國(guó)際上少數(shù)能使用水下機(jī)器人開展洋中脊熱液調(diào)查和取樣研究的國(guó)家之一。[3]依靠“大洋一號(hào)”船的精確動(dòng)力定位，中國(guó)自主研制的水下機(jī)器人“海龍2號(hào)”準(zhǔn)確降落抵達(dá)“鳥巢”黑煙囪區(qū)海底，并展開了攝像觀察、熱液環(huán)境參數(shù)測(cè)量。
2012年10月，中國(guó)首款“功能模塊”理念智能水下機(jī)器人問世。哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院5人團(tuán)隊(duì)，在指導(dǎo)教師張鐵棟帶領(lǐng)下，依托水下機(jī)器人國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，歷時(shí)一年自主設(shè)計(jì)出國(guó)內(nèi)首款“多功能智能水下機(jī)器人”，首次將“功能模塊”理念應(yīng)用于水下機(jī)器人領(lǐng)域。該款機(jī)器人可根據(jù)需要選擇不同模塊隨時(shí)“換芯”、隨時(shí)變身，可應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜水下作業(yè)。
這款機(jī)器人獲得首屆“全國(guó)海洋航行器設(shè)計(jì)與制作大賽”實(shí)物制作類特等獎(jiǎng)。該項(xiàng)目中自主研發(fā)應(yīng)用的永磁式平面磁傳動(dòng)推進(jìn)器、永磁式平面磁傳動(dòng)機(jī)械手、改裝水密接插件均屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，具有重要的推廣價(jià)值。
2012年日本正在實(shí)施一項(xiàng)包括開發(fā)先進(jìn)無(wú)人遙控潛水器的大型規(guī)劃。這種無(wú)人有纜潛水器系統(tǒng)在遙控作業(yè)、聲學(xué)影像、水下遙測(cè)全向推力器、海水傳動(dòng)系統(tǒng)、陶瓷應(yīng)用技術(shù)水下航行定位和控制等方面都要有新的開拓與突破。這項(xiàng)工作的直接目標(biāo)是有效地服務(wù)于200米以內(nèi)水深的油氣開采業(yè)，完全取代由潛水人員去完成的危險(xiǎn)水下作業(yè)。
在無(wú)人有纜潛水技術(shù)方面，始終保持了明顯的超前發(fā)展的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)歐洲尤里卡計(jì)劃，英國(guó)、意大利將聯(lián)合研制無(wú)人遙控潛水器。這種潛水器性能優(yōu)良，能在6000米水深持續(xù)工作250小時(shí)，比正在使用的只能在水下4000米深度連續(xù)工作只有l(wèi)2小時(shí)的潛水器性能優(yōu)良的多。按照尤里卡EU-191計(jì)劃還將建造兩艘無(wú)人遙控潛水器，一艘為有纜式潛水器，主要用于水下檢查維修；另一艘為無(wú)人無(wú)纜潛水器，主要用于水下測(cè)量。這項(xiàng)潛水工程計(jì)劃將由英國(guó)；意大利、丹麥等國(guó)家的l7個(gè)機(jī)構(gòu)參加。英國(guó)科學(xué)家研制的“小賈森”有纜潛水器有其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，它是采用計(jì)算機(jī)控制，并通過光纖溝通潛水器與母船之間的聯(lián)系。母船上裝有4臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，分別用于處理海底照相機(jī)獲得的資料，處理監(jiān)控海彈環(huán)境變化的資料，處理海面環(huán)境變化的資料，處理由潛水器傳
輸回來(lái)的其他有關(guān)技術(shù)資料等。母船將所有獲得的資料。經(jīng)過整理，通過微波發(fā)送到加利福尼亞太平洋格羅夫研究所的實(shí)驗(yàn)室，并貯存在資料庫(kù)里。
水下機(jī)器人
2015年3月19日，中國(guó)自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286進(jìn)行深水設(shè)備測(cè)試，首次用水下機(jī)器人將五星紅旗插入近3000米水深海底，這是國(guó)內(nèi)首次用水下機(jī)器人將五星紅旗插入近3000米水深的南海。
2022年7月5日，哈爾濱工程大學(xué)發(fā)布消息，該校研發(fā)中國(guó)國(guó)內(nèi)首套海洋結(jié)構(gòu)物水下無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人，并通過中國(guó)科技部組織的驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)中國(guó)國(guó)內(nèi)水下無(wú)損檢測(cè)的工程化示范應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)功能 編輯本段
典型的遙控潛水器是由水面設(shè)備（包括操縱控制臺(tái)、電纜絞車、吊放設(shè)備、供電系統(tǒng)等）和水下設(shè)備（包括中繼器和潛水器本體）組成。潛水器本體在水下靠推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)，本體上裝有觀測(cè)設(shè)備（攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈等）和作業(yè)設(shè)備（機(jī)械手、切割器、清洗器等）。
潛水器的水下運(yùn)動(dòng)和作業(yè)，是由操作員在水面母艦上控制和監(jiān)視?？侩娎|向本體提供動(dòng)力和交換信息。中繼器可減少電纜對(duì)本體運(yùn)動(dòng)的干擾。新型潛水器從簡(jiǎn)單的遙控式向監(jiān)控式發(fā)展，即由母艦計(jì)算機(jī)和潛水器本體計(jì)算機(jī)實(shí)行遞階控制，它能對(duì)觀測(cè)信息進(jìn)行加工，建立環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)模型。操作人員通過人機(jī)交互系統(tǒng)以面向過程的抽象符號(hào)或語(yǔ)言下達(dá)命令，并接受經(jīng)計(jì)算機(jī)加工處理的信息，對(duì)潛水器的運(yùn)行和動(dòng)作過程進(jìn)行監(jiān)視并排除故障。開始研制智能水下機(jī)器人系統(tǒng)。操作人員僅下達(dá)總?cè)蝿?wù)，機(jī)器人就能根據(jù)識(shí)別和分析環(huán)境，自動(dòng)規(guī)劃行動(dòng)、回避障礙、自主地完成指定任務(wù)。
無(wú)人有纜潛水器的發(fā)展趨勢(shì)有以下優(yōu)點(diǎn)：一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用大容量計(jì)算機(jī)，實(shí)施處理資料和進(jìn)行數(shù)字控制；三是潛水器上的機(jī)械手采用多功能力反饋監(jiān)控系統(tǒng)：四是增加推進(jìn)器的數(shù)量與功率，以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力。
應(yīng)用領(lǐng)域 編輯本段
安全搜救
1、可用于檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結(jié)構(gòu)好壞情況；
2、遙控偵察、危險(xiǎn)品靠近檢查；
3、水下基陣協(xié)助安裝/拆卸；
4、船側(cè)、船底走私物品檢測(cè)(公安、海關(guān))；
5、水下目標(biāo)觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等；
6、搜尋水下證據(jù)(公安、海關(guān))；
7、海上救助打撈、近海搜索；
2011年水下機(jī)器人最深能在6000米的海底世界，以每小時(shí)3至6公里的速度行走，前視、下視雷達(dá)給了它“好視力”，隨身攜帶的照相機(jī)、攝像機(jī)和精確導(dǎo)航系統(tǒng)等，讓它“過目不忘”。2011年伍茲霍爾海洋研究所提供的水下機(jī)器人在4000平方公里的海域中僅僅花了幾天時(shí)間便找到了法航航班的殘骸，而此前各種船只飛機(jī)尋找兩年無(wú)果。
MH370失聯(lián)客機(jī)截至2014年4月7日尚未找到，澳大利亞海事安全局聯(lián)合協(xié)調(diào)中心召開發(fā)布會(huì)，搜救行動(dòng)處境微妙，需要不斷精確搜尋位置，不會(huì)放棄希望，搜索區(qū)域最深將達(dá)到5000米，將使用水下機(jī)器人搜尋黑匣子信號(hào)。
管道檢查
1、可用于市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫(kù)檢查；
2、排污/排澇管道、下水道檢查；
3、洋輸油管道檢查；
4、跨江、跨河管道檢查；
船舶河道海洋石油
1、船體檢修；水下錨、推進(jìn)器、船底探查；
2、碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查；
3、航道排障、港口作業(yè)；
4、鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程；
科研教學(xué)
1、水環(huán)境、水下生物的觀測(cè)、研究和教學(xué)；
2、海洋考察；
3、冰下觀察；
水下娛樂
1、水下電視拍攝、水下攝影；
2、潛水、劃船、游艇；
3、看護(hù)潛水員，潛水前合適地點(diǎn)的選擇；
能源產(chǎn)業(yè)
1、核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測(cè)和取出；
2、水電站船閘檢修；
3、水電大壩、水庫(kù)堤壩檢修(排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修)；
考古
水下考古、水下沉船考察。
漁業(yè)
深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖，人工漁礁調(diào)查。
無(wú)人無(wú)纜潛水器尚處于研究、試用階段，還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。無(wú)人無(wú)纜潛水器將向遠(yuǎn)程化、智能化發(fā)展，其活動(dòng)范圍在250～5000公里的半徑內(nèi)。這就要求這種無(wú)人無(wú)纜潛水器有能保證長(zhǎng)時(shí)間工作的動(dòng)力源。在控制和信息處理系統(tǒng)中，采用圖像識(shí)別、人工智能技術(shù)、大容量的知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，以及提高信息處理能力和精密的導(dǎo)航定位的隨感能力等。如果這些問題都能解決了，那么無(wú)人無(wú)纜潛水器就能是名副其實(shí)的海洋智能機(jī)器人。海洋智能機(jī)器人的出現(xiàn)與廣泛使用，為人類進(jìn)入海洋從事各種海洋產(chǎn)業(yè)活動(dòng)提供了技術(shù)保證。
優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn) 編輯本段
優(yōu)點(diǎn)
水下機(jī)器人可在高度危險(xiǎn)環(huán)境、被污染環(huán)境以及零可見度的水域代替人工在水下長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，水下機(jī)器人上一般配備聲吶系統(tǒng)、攝像機(jī)、照明燈和機(jī)械臂等裝置，能提供實(shí)時(shí)視頻、聲吶圖像，機(jī)械臂能抓起重物，水下機(jī)器人在石油開發(fā)、海事執(zhí)法取證、科學(xué)研究和軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。缺點(diǎn)
由于水下機(jī)器人運(yùn)行的環(huán)境復(fù)雜，水聲信號(hào)的噪聲大，而各種水聲傳感器普遍存在精度較差、跳變頻繁的缺點(diǎn)，因此水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，濾波技術(shù)顯得極為重要。水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中普遍采用的位置傳感器為短基線或長(zhǎng)基線水聲定位系統(tǒng)，速度傳感器為多普勒速度計(jì)會(huì)影響水聲定位系統(tǒng)精度。因素主要包括聲速誤差、應(yīng)答器響應(yīng)時(shí)間的丈量誤差、應(yīng)答器位置即間距的校正誤差。而影響多普勒速度計(jì)精度的因素主要包括聲速c、海水中的介質(zhì)物理化學(xué)特性、運(yùn)載器的顛簸等。
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