水下机器人发展概述

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1、水下机器人发展概述船舶102 赵书孝 1005080224无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完 成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海 洋的重要工具。无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜 水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。特别是近10年来，无人遥控潜水器的发展是非常快的。从1953年第一艘无人遥控潜水器问世， 到1974年的20年里，全世界共研制了 20艘。特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速 发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。到19

2、81年，无人遥控潜水器发展到了 400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了 110%。这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水 器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展 相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外， 载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中28艘用于工业服务。无人有缆潜水器研制与发展无人有缆潜水器的研制开始于70年代，80年代进入了较快的发展时期。1987年，日本 海事科学技术

3、中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海 研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在 设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。 1988年，该技术中心配合“深海6500 ”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这 种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆潜水器的研制比较 重视，不仅有近期

4、的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前，日本正在实施一项包括 开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水 下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开 拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发 展的优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性 能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下 4000米深度连 续工作只有l2小时的潜水器性能优

5、良的多。按照尤里卡 EU-191计划还将建造两艘无人遥控 潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用 于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟 通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的 其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平 洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。无人有缆潜

6、水器的发展趋势有以下几点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能， 力反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此 外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。历史发展1934年，美国研制出下潜934米的载人潜水器。1953年又研制出无人有缆遥控潜水器。 其后的发展大致经历了三个阶段。第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的 重视。第二阶段197

7、5至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水 器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器 (包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器)在海洋调查、海洋石 油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。第三阶段1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来，中国也开展了水下机器人的研 究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。研制与发展1980年法国国家海洋开发中心建造了 “逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋

8、海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检 查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度 要比“逆戟鲸”号高许多。1888年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水 器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于 3节时，航行深度控制在土 1米，导航精度约0.2

9、节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些 技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无 人无缆潜水器。据报导，在1993年前，这种穿越北极冰层的无人无缆潜水器将会问世，美国 将建造两艘，英国也建造两艘，瑞典将建造一艘。日本1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀 3K”号，可下潜 3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的， 供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀 3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有 缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海

10、采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的 需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间 进行深海调查。这种潜水器可望在 1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆 潜水器的研制比较重视，不仅有近期的研究项目，而且还有较大型的长远计划。目前，日本 正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作 业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等 方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取

11、代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。欧洲在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划， 英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下 4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优 良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要 用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由 英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其 独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜

12、水器与母船之间的联系。母船上 装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料， 处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得 的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资 料库里。法国1980年法国国家海洋开发中心建造了 “逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为 6000米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过 130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查 海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声

13、学遥控潜水器。用于水下 钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。1688年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究 机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由 0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土 1米，导航精度约0.2节/小时，潜 水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。据报导，在1993年前，

14、这种穿越北极冰层的无人无缆潜水器将会问世，美国将建造两艘，英国也建造两艘，瑞典将建造一艘。结构典型的遥控潜水器是由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体（见图）在水下靠推进器运 动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清功能潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。靠电缆向本体提供 动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动的干扰。新型潜水器从简单的遥控式向监控 式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建 立环境和内部状态模型。操作

15、人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令， 并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。近年来 开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境， 自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。发展趋势无人有缆潜水器的发展趋势有以下见点：一是水深普遍在 6000米；二是操纵控制系统多 采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能，力 反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外， 还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力 应用1. 管道容器检查市政饮用水系

16、统中水罐、水管、水库检查排污/排涝管道、下水道检查洋输油管道检查；跨江、跨河管道检查2. 船舶河道海洋石油船体检修；水下锚、推进器、船底探查码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查；航道排障、港口作业钻井平台水下结构检修、海洋石油工程；3. 科学研究教学水环境、水下生物的观测、研究和教学海洋考察；冰下观察4. 水下娱乐水下电视拍摄、水下摄影潜水、划船、游艇；看护潜水员，潜水前合适地点的选择5. 能源核电站反应器检查、管道检查、异物探测和取出水电站船闸检修；水电大坝、水库堤坝检修（排沙洞口、拦污栅、泄水道检修）6. 安全检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物以及结构好坏情况遥控侦察、危险品靠近检查；水下基阵协助安装/拆卸船侧、船底走私物品检测（公安、海关）