水下机器人发展概述1水下机器人发展背景在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。

地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为3.6亿平方公里。

地球表面积的71%被海洋所覆盖。

在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。

从远古时代起，人们就泛舟于海上。

从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。

20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。

进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。

毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。

人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。

另一个重要原因是，占地球表面积49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。

但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。

因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。

水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。

２水下机器人的定义与分类２．１水下机器人的定义与概述水下机器人也称作无人水下潜水器（ｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄeｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ），它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。

在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。

生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。

水下环境是属于鱼类的“天下”，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。

目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的回转细长体，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。

水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

２．２水下机器人的分类水下潜水器根据是否载人分为载人潜水器和无人潜水器两类。

载人潜水器由人工输入信号操控各种机动与动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境，其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人生命安全的危险性增大。

由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。

无人水下潜水器就是人们常说的水下机器人，由于没有载人的限制，它更适合长时间、大范围和大深度的水下作业。

无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同可以分为下面两类。

（１）有缆水下机器人，或者称作遥控水下机器人（ｒｅｍｏｔｅｌｙｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅ，简称ＲＯＶ），ＲＯＶ需要由电缆从母船接受动力，并且Ｒ０Ｖ不是完全自主的，它需要人为的干预，人们通过电缆对Ｒ０Ｖ进行遥控操作，电缆对ＲｏＶ像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是南于细长的电缆悬在海中成为ＲＯＶ最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率。

（２）无缆水下机器人，常称作自治水下机器人或智能水下机器人（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ，简称ＡＵＶ），ＡｕＶ自身拥有动力能源和智能控制系统，它能够依靠自身的智能控制系统进行决策与控制，完成人们赋予的工作使命。

ＡｕＶ是新一代的水下机器人，由于其在经济和军事应用上的远大前景，许多国家已经把智能水下机器人的研发提上日程。

有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方式不同可分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。

无缆水下机器人都是自治式的，它能够依靠本身的自主决策和控制能力高效率地完成预定任务，拥有广阔的应用前景，在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

２．３自治水下机器人自治水下机器人，又称智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。

俄罗斯科学家Ｂ．Ｃ．亚斯特列鲍夫等人所著的《水下机器人》中指出第３代智能水下机器人是一种具有高度人工智能的系统，其特点是具有高度的学习能力和自主能力，能够学习并自主适应外界环境变化。

执行任务过程中不需要人工干预，设定任务使命给机器人后，由其自主决定行为方式和路径规划，军事领域中各种战术甚至战略任务都依靠其自主决策来完成。

智能水下机器人能够高效率地执行各种战略战术任务，拥有广泛的应用空间，代表了水下机器人技术的发展方向。

3水下机器人的发展现状3．1 国外水下机器人发展现状国外水下机器人技术的发展，主要以美国、日本以及西方发达国家为代表，他们的发展技术几乎可以代表了全世界水下机器人技术的发展水平。

\著名的一些研究机构有美国麻省理工学院MIT Sea Grant’s AUV实验室、美国海军研究生院智能水下运载研究中心、美国伍慈侯海洋学院、美国佛罗里达大西洋高级海洋系统实验室、美国缅因州大学海洋系统工程实验室、美国夏威夷大学自动化系统实验室、日本东京大学机器人应用实验室、英国还是技术中心等。

美国是最先发展水下机器人的国家，他们掌握着水下机器人较高的技术水平。

由美国海军研究生院的Phoenix AUV 和性能更优越的 Aries AUV ,主要用于研究智能控制、规划与导航、目标识别等技术; 麻省理工学院的智能机器人 Odyssey II 主要用于海冰下的检测和标图; 斯坦福大学的OTTER 的研究目的是使其成为科学和工业界在开发海洋的一种常用工具; 美国的新罕布什尔州自主水下系统研发所与俄罗斯远东科学院水下技术研究所联合开发出太阳能自主水下机器人 ,其计划的最终目的是开发一艘具有超过一年续航力的太阳能自主水下机器人。

美国麻省理工学院(MIT)的布鲁克斯(RodneyA. Brooks)模拟人类大脑物理结构的基于连接主义的反射性 ,以移动式机器人研究为背景 ,提出以一种依据行为来划分层次和构造模块的思路。

它的特点基本与分层递阶体系相反。

日本凭借其在智能机器人先进技术的优势，在水下机器人方面也不甘落后，取得了突跃式的进步，并且成为这个领域的佼佼者。

智能水下机器人是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与理解、系统集成等技术应用于传统的载体上 ,在无人驾驶的情况下自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。

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，完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。

欧洲方面，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。

法国方面，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。

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。

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。

3.2 国内水下机器人的发展现状我国从上世纪70年代开始较大规模地开展潜水器研制工作,起步较其他发达国家晚了很多，但是在过去的几十年内，我国水下机器人技术的发展还是取得了很大的进步，并且取得了一些重要的成果。

我国先后研制成功以援潜救生为主的7103 艇(有缆有人)、I型救生钟(有缆有人)、QSZ 单人常压潜水器(有缆有人)、8A4 水下机器人ROV (有缆无人)和军民两用的HR—01 ROV,RECON IV ROV 及CR- 01A 6000m 水下机器人AUV (无人无缆)等, 使我国潜水器研制达到了国际先进水平。

2011年7月26日上午，中国载人潜水器“蛟龙”号在第二次下潜试验中成功突破5000米水深大关，最大下潜深度达到5057米，创造了中国载人深潜新的历史，“蛟龙号”载人潜水器5000米深潜成功，意味着中国载人深潜水平已位居世界前列。

标志着中国具备了到达全球70%以上海洋深处进行作业的能力，极大增强了中国科技工作者进军深海大洋、探索海洋奥秘的信心和决心。

4.水下机器人关键技术4.1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。

4.2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：4.2.1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。