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1、船舶工程学院船舶与海洋工程进展（小论文）学号： S313010019专 业：船舶与海洋工程 学生姓名：潘 茂 华 任课教师: 庞永杰 教授2013 年 12 月水下机器人的发展及设计潘茂华哈尔滨工程大学摘 要： 21 世纪是人类向海洋进军的世纪，深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领 域，已经成为各国 的重要战略目标，也是国际上激烈竞争的焦点之一。水下机器人作为一个复杂的系统 ,集成了人工智能、 水下目标的探测和识别、数据融合、智能控制以及导航和通信各子系统,是一个可以在复杂海洋环境中执 行各种军用和民用任务的平台.本文着重介绍了水下机器人的发展史和设计,主要考虑了水动力性能和结 构设计并对未来
2、的发展提出了自己的看法。关键字：水下机器人 人工智能 推进1水下机器人的研究背景随着现代社会的持续发展和科学技术的不断进步，人类的活动范围日益扩大。 目前地球表面与太空领域已在很大程度上被人类开发利用，并取得了长足的进展， 而同样与人类密切相关的海洋尚处于待开发状态。海洋这一广阔的水域，蕴藏着 丰富的矿物资源、海洋生物资源和海水化学能源，是人类社会可持续发展的重要 财富。研究和合理开发海洋，对经济和社会的发展具有重要意义。何况，目前地 球生态环境日益恶化，人类也必须更好地使占地球面积接近四分之三的海洋免受 环境污染，从而高效地利用它来造福人类。21世纪是人类向海洋进军的世纪，深海作为人类尚未开
3、发的宝地和高技术领 域，已经成为各国的重要战略目标，也是国际上激烈竞争的焦点之一。在各种海 洋技术中，作为用在一般潜水技术中不可能到达的深度进行综合考察和研究并能 完成多种作业的水下机器人的出现，标志着海洋开发进入了新时代。水下机器人 是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机 械或其他工具代替或辅助人类去完成水下工作任务的装置。它作为一种高技术手 段，在海洋的开发与利用中扮演着极其关键的角色，其重要性不亚于飞船、火箭 在探索宇宙空间中的作用。由于海洋勘察任务相当复杂，水下实施作业各不相同， 所以水下机器人的机械构造、动作原理、使用目的也多种多样。水下机器人有很 多
4、不同的分类方法，其中按照与母船之间有无电缆可分为有缆水下机器人(Remo te Opera ted Vehicle，简称 ROV)和无缆水下机器人(Au tonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。有缆水下机器人又称遥控水下机器人，是通 过电缆由母船向水下潜器提供动力和实施遥控的；无缆水下机器人又称自治式水 下机器人，它自带动力，依靠自身携带的计算机和嵌入式机器智能来执行航行任 务。小型遥控水下机器人已广泛用于以下几个方面：管道容器检査：市政饮用水系统中水罐、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 船舶河道海洋石油：船体检修；
5、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； 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）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）； 水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等；搜寻水下证据
6、（公安、海关）；海上救助 打捞、近海搜索； 考古：水下考古、水下沉船考察 渔业：深水网箱渔业养殖，人工渔礁调查无人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段，还有一些关键技术问题需要解决。 无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展，其活动范围在2505000公里的半， 径内。这就要求这种无人无缆潜水器有能保证长时间工作的动力源。在控制和信 息处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高 信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这些问题都能解决了，那么 无人无缆潜水器就能是名副其实的海洋智能机器人。海洋智能机器人的出现与广 泛使用，为人类进入海洋从事各种海洋产业活动提供了技术保证。
7、2水下机器人的历史发展1988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，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。无人有缆潜水器的
8、研制开始于70年代，80年代进入了较快的发展时期。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，基本能满足深海采集样品的需要O1988 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1
9、992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，不仅有研究项目，而且还有较大型的长远 计划。如今，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25
10、0小时，比正在使用的只能在水下4000米深度 连续工作只有12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17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
11、，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。3中国水下机器人的发展概况 1977年召开的中国科学院自然科学学科规划会议
12、将发展机器人项目列入规划。 蒋新松院士在当年组团赴日考察回国后提出了发展水下机器人的设想。从此，沈 阳自动化研究所锁定了“下海”为海洋开发服务，搞智能机器在海洋中的应用研 究的战略目标，决心“要下五洋捉鳖”。1983年该项课题正式列为中国科学院重点课题，开创了智能机器人科研领域， 为水下机器人的研究开发奠定了基础。二十年来，“水下机器人”由院重点，进而持续列入“六五”、“七五”、 “八五”、“九五”和“十五”国家重点项目，成为国家863计划自动化领域智 能机器人主题项目的重点内容。RECON-IV 水下机器人具有较强功能和可靠性，已成为国际知名品牌，生产 的多台设备出口国际市场，还有的长年在为
13、南海石油钻井平台提供技术服务；“海潜一号”和“金鱼号”轻型水下机器人在沿海和内湖地区的水下探查、 考古等作业起到重要作用；“海潜二号”水下机器人以其强作业功能为国家安全提供了有力的技术支 持；用于海底光缆埋设的爬行式水下机器人；“海星号”是我国第一台海底自走式海缆埋设机，目前已完成研制工作并投 入实际应用。作为总体单位在国家“863”计划支持下完成的潜深1000米“探索者”和 潜深6000米“CR-01”、“CR-02”无缆自治水下机器人标志着我国自治水下机 器人技术在国际上处于领先地位。 6000米水下机器人工程项目是国家“863”计 划项目的重中之重。1995年8 月，与俄罗斯合作研制的
14、6000米水下机器人完成深海试验。1996年8 月起正式实施了水下6000米自治机器人的工程化项目。其目标是 为中国大洋协会进行大洋调查提供水下6000米自治机器人实用样 机。有关专家 认为，该水下机器人是目前世界上最先进的洋底探测设备。 CR 系列高性能水下 机器人能进行六千米深水录像、拍照和海底地势与剖面测量、水文测 量、海底 多金属结核丰度测定，海底沉物目标搜索和观察，自动记录各种数据包括图像和 机器人水下运动轨迹及其坐标位置，还可按预编程航行和工作，自动避障， 具 有故障自诊断和应急上浮功能，并能提供指令遥控。这表明，中国已有圆满解决 这些高技术的能力和手段，而且已进入洋底多金属结核资
15、源探测应用的实用阶段。 6000米水下机器人的研制成功，使中国一跃成为世界上具有研制这种自治水下 机器人能力的少数几个国家之一，它可到达世界上除海沟之外的全部海底区域， 即 全部有经济前景的海底，占海洋面积的98，为中国进军国际海洋区域、开 发大洋资源提供了强有力的技术手段和工具。该所目前正在研制潜深 7000 米水下载人机器人又被称作“海底卫星”， 预计将在2005年投入使用。这意味着中国将拥有对包括深海海沟在内 的复杂海 域进行详细探测的能力，中国开发海洋资源的步伐将大大加快。目前，世界上只 有俄罗斯、美国、日本等国家拥有类似潜深的水下载人机器人。5再北忌时月2R日吏目前蛟龙号载人潜水器完
16、成7000米级海试第五次下潜试验后安全返回，本 次下潜最大深度达到7062.68米，超过上次下潜深度43米，创造中国载人潜水 器的新纪录。4水下机器人的设计及技术水下无缆自治机器人的研制，涉及到自动化、计算机、水声、深潜、水动力、 材料、能源等各种专业，需要解决水中通讯、高压密封、自主航行控制、动力系 统、能源系统、各种信息的采集和处理、特种材料以及可靠性等高技术。4.1 水动力性能分析国际上对六自由度（DOF）水下机器人在水中的位置、姿有一套标准的矢量符号表3-1给出了 SNAME表示法的力与moments）、速度（Velocities）和位置 （Position）的定义。*3-1為白山虑水下林陆人的呂NAME农灵住DQFForces aidmomentLin如祉E angular velocityPaabon aid EatI ar angles
