論為何發展水下機器人

　　論文導讀：在海洋開發和末來戰爭中，水下機器人起著舉足輕重的作用。目前國內的水下機器人(主要是AUV、UUV)還處于研制試驗階段，很多關鍵技術還沒有突破，離實際使用尚有一段距離。要瞄準目標，抓住時機，開拓創新，爭取在水下機器人這一領域擁有更多的自主技術。水下機器人的應用領域已經不斷擴大，如海洋研究、海洋開發和水下工程等，發達的軍事大國非常重視水下機器人在未來戰爭中的應用。本文選自《中國科技博覽》。 《中國科技博覽》原名：《中國包裝科技博覽》雜志是國務院國有資產監督管理委員會(國資委)主管，中國包裝總公司主辦的國家級學術期刊。國內刊號：CN11-4450/T 國際刊號：ISSN1009-914X。本刊已被《中國核心期刊(遴選)數據庫》、《中國學術期刊(光盤版)》、《萬方數據數字化期刊群》、《中文科技期刊數據庫》全文收錄，國內外統一公開發行。本刊為中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊，是國內印刷包裝、測繪等相關專業統計期刊。

　　關鍵詞：水下機器人現狀,應用,中國科技博覽

　　一、水下機器人的種類及國內現狀

　　1、水下機器人的種類

　　水下機器人是一種具有智能功能的水下潛器，國內外專家學者根據其智能化程度和使用需求，將水下機器人分為四類：即拖曳式水下機器人TUV (Towing UnderwaterVehicle)、遙控式水下機器人ROV(RemotelyOperated Vehilce)、無人無纜水下機器人UUV (Unmanned UnderwaterVehicle)和智能水下機器人AUV (Autonomous Underwater Vehicle)。前兩種水下機器人均帶纜，由母船上人工控制;后兩種水下機器均無人無纜，自主航行，分別由預編程控制和智能式控制。

　　2、國內現狀

　　目前國內研究水下機器人的單位較多，內容也五花八門，但代表國內先進水平的、真正進入實質性試驗階段的僅此幾家。它們是：哈爾濱工程大學研制的智能水下機器人AUV，中科院沈陽自動化所研制的無人無纜水下機器人UUV，上海交通大學研制的遙控式水下機器人ROV 和中船重工715 所研制的拖曳式水下機器人TUV。

　　二、水下機器人應用前景

　　水下機器人的應用領域已經不斷擴大，如海洋研究、海洋開發和水下工程等，發達的軍事大國非常重視水下機器人在未來戰爭中的應用。水下機器人將成為未來水下戰爭中爭奪信息優勢、實施精確打擊與智能攻擊、完成戰場中特殊作戰任務的重要設備之一。

　　目前正處于飛速發展階段。

　　1、海洋資源的研究和開發

　　占地球表面積71%的海洋是是一個富饒而遠未得到開發的資源寶庫，也是兵戎相見的戰場。21 世紀，人類面臨人口膨脹和生存空間、陸地資源枯竭和社會生產增長、生態環境惡化和人類發展的三大矛盾挑戰，要維持自身的生存、繁衍和發展，就必須充分利用海洋資源，這是無可回避的抉擇。對人均資源匱乏的我國來說，海洋開發更具有特殊意義。因此，水下機器人將在海洋環境監測、海洋資源勘察、海洋科學研究中發揮重要作用。

　　2、未來戰爭中的作用

　　零傷亡是未來戰爭中的選擇，因而使得無人武器系統在未來戰爭中的地位倍受重視，其潛在的作戰效能越來越明顯。作為無人武器系統重要組成部分的水下機器人能夠以水面艦船或潛艇為基地，在數十或數百里的水下空間完成環境探測、目標識別、情報收集和數據通訊，將大大地擴展了水面艦船或潛艇的作戰空間。尤其是自主航行的水下機器人，它們能夠更安全地進入敵方控制的危險區域，能夠以自主方式在戰區停留較長的時間，是一種效果明顯的兵力倍增器。更重要的是，在未來的戰爭中，“以網絡為中心”的作戰思想將代替“以平臺為中心”的作戰思想，水下機器人將成為網絡中心站的重要節點，在戰爭中發揮越來越重要的作用。論文大全。目前各國重點研究的應用包括：水雷對抗、反潛戰、情報收集、監視與偵察、目標探測和環境數據收集等。

　　三、水下機器人關鍵技術

　　1、總體技術

　　水下機器人是一種技術密集性高、系統性強的工程，涉及到的專業學科多達幾十種，各學科之間彼此互相牽制，單純地追求單項技術指標，就會顧此失彼。解決這些矛盾除有很強的系統概念外，還需加強協調。在滿足總體技術要求的前提下，各單項技術指標的確定要相互兼顧。

　　為適應較大范圍的航行，從流體動力學角度來看，水下機器人的外形采用低阻的流線型體。結構盡可能采用重量輕、浮力大、強度高、耐腐蝕、降噪的輕質復合材料。

　　2、仿真技術

　　水下機器人工作在復雜的海洋環境中，由智能控制完成任務。由于工作區域的不可接近性，使得對真實硬件與軟件體系的研究和測試比較困難。為此在水下機器人的方案設計階段，要進行仿真技術研究，內容為兩部分：

　　(1)平臺運動仿真

　　按給定的技術指標和水下機器人的工作方式，設計機器人平臺外形并進行流體動力試驗，獲得仿真用的水動力參數。在建立運動數學模型、確定邊界條件后，用水動力參數和工況進行運動仿真，解算各種工況下平臺的動態響應，根據技術指標評估平臺的運動狀態，如有差異, 則通過調整平臺尺寸、重心浮心等技術參數后再次仿真,……, 直至滿足要求為止。

　　(2)控制硬、軟件的仿真

　　在水中對控制系統的調試和檢測具有很大的風險，因此有必要在控制硬、軟件裝入平臺前，在實驗室內先對單機性能進行檢測，再對集成后的系統在仿真器上做陸地模擬仿真試驗，并評估仿真后的性能。內容包括動密封、抗干擾、機電匹配、軟件調試。根據結果，進行修改和完善。因而需研究和開發一套用于控制系統仿真的仿真器。仿真器主要由模擬平臺、等效載荷、模擬通訊接口、仿真工作站等組成。在仿真器上對控制系統的仿真，可以減少湖海試時的調試工作量，避免由海中不確定因素帶來的麻煩。

　　3、水下目標探測與識別技術

　　目前，水下機器人用于水下目標探測與識別的設備僅限于合成孔徑聲納、前視聲納和三維成像聲納等水聲設備。

　　(1)合成孔徑聲納

　　用時間換空間的方法、以小孔徑獲取大孔徑聲基陣的合成孔徑聲納，非常適合尺度不大的水下機器人，可用于偵察、探測、高分辨率成像，大面積地形地貌測量等，為水下機器人提供一種性能很好的探測手段。

　　(2)前視聲納組成的自主探測系統

　　前視聲納的圖像采集和處理系統，在水下計算機網絡管理下自主采集和識別目標圖像信息，實現對目標的跟蹤和對水下機器人的引導。可以通過實驗，找出用于水下目標圖像特征提取和匹配的方法，建立數個目標數據庫，在目標圖像像素點較少的情況下，較好的解決數個目標的分類和識別。系統對目標的探測結果，能提供目標與機器人的距離和方位，為水下機器人避碰與作業提供依據。

　　(3)三維成像聲納

　　用于水下目標的識別的三維成像聲納，是一個全數字化、可編程、具有靈活性和易修改的模塊化系統。可以獲得水下目標的形狀信息，為水下目標識別提供了有利的工具。

　　4、智能控制技術

　　智能控制技術是提高水下機器人的自主性，在復雜的海洋環境中完成各種任務，因此研究水下機器人控制系統的軟件體系、硬件體系和控制技術十分重要。

　　智能控制技術的體系結構是人工智能技術、各種控制技術在內的集成，相當于人的大腦和神經系統。軟件體系是水下機器人總體集成和系統調度，直接影響智能水平，它涉及到基礎模塊的選取、模塊之間的關系、數據(信息)與控制流、通訊接口協議、全局性信息資源的管理及總體調度機構。體系結構的目標與水下機器人的研究任務應是一致的，也是提高智能水平(自主性和適應性)的關鍵技術之一。不斷改進和完善體系結構，加強對未來的預報預測能力，使系統更具有前瞻性和自主學習能力。論文大全。

　　5、規劃與決策技術

　　規劃與決策是指對自主式水下機器人在有海流區域工作時姿態和路徑的規劃與決策，主要確保水下機器人工作時艏向嚴格頂流。有兩種路徑規劃方法，一種是坐標系旋轉法，基本思想是將坐標系繞著Z 軸旋轉，直到X正半軸方向指向來流方向，在工作中保證機器人的姿態始終與X 正半軸方向一致。另一種是基于柵格的位形空間激活值傳播法。該方法能方便地實現各種優化條件，并適用于各種復雜的環境，具有較佳的控制生成路徑能力和可擴展性，而且算法本身具有內在的并行性，很好地滿足了機器人艏向盡量頂流的要求，

　　6、水下導航(定位)技術

　　用于自主式水下機器人的導航系統有多種，如慣性導航系統、重力導航系統、海底地形導航系統、地磁場導航系統、引力導航系統、長基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算系統等，由于價格和技術等原因，目前被普遍看好的是光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算系統，該系統無論從價格上、尺度上和精度上都能滿足水下機器人的使用要求，國內外都在加大力度研制。

　　7、通訊技術

　　為了有效的監測、傳輸數據﹑協調和回收等，水下機器人需要通訊。目前的通訊方式主要有光纖通訊、水聲通訊。

　　(1)光纖通訊

　　由光端機(水面)﹑水下光端機﹑光纜組成。其優點是數據率高(100Mbit/s)，很好的抗干擾能力。缺點，限制了水下機器人的工作距離和可操縱性，一般用于帶纜的水下機器人TUV、ROV。

　　(2)水聲通訊

　　由于聲波在水中的哀減慢，對于需要中遠距離通訊的水下機器人，水聲通訊是唯一的、比較理想的一種方式。實現水聲通訊最主要的障礙是隨機多途干擾，要滿足較大范圍和高數據率傳輸要求，需解決多項技術難關。要達到實用程度，仍然有大量的工作要做。

　　8、能源系統技術

　　水下機器人、特別是續航力大的自主航行水下機器人，需要具有體積小、重量輕、能量密度高、多次反復使用、安全和低成本的能源系統。

　　(1) 熱系統

　　熱系統是將能源轉換成水下機器人的熱能和機械能，包括封閉式循環、化學和核系統。其中由化學反應(鉛酸電池、銀鋅電池、鋰電池)給水下機器人提供能源是現今一種比較實用的方法。

　　(2) 電-化能源系統

　　質子交換膜燃料電池具有水下機器人的動力裝置所需的性能。該電池的特點是能量密度大、高效產生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關閉。該電池技術難點是合適的安靜泵、氣體管路布置、散熱、固態電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲。21 世紀燃料電池將極大地改變人們的生活和企業環境。隨著生產成本、穩定性等課題得到解決，燃料電池可望成為水下機器人的主導性能源系統。論文大全。

　　五、結語

　　毫無疑問，在海洋開發和末來戰爭中，水下機器人起著舉足輕重的作用。目前國內的水下機器人(主要是AUV、UUV)還處于研制試驗階段，很多關鍵技術還沒有突破，離實際使用尚有一段距離。要瞄準目標，抓住時機，開拓創新，爭取在水下機器人這一領域擁有更多的自主技術。