水下机器人研究现状与探索
Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT 《大学计算机基础》 课程报告 论文名称：水下机器人研究现状与探索 二零一七年一月
目录 水下机器人研究现状与探索
朱钰璇 摘 要:本文总结了水下机器人的研究历史，现状与目前的发展趋势，具
体分析了现代水下机器人应用的技术，指出他们的优缺点，并且针对未来的深海探索机器人的材料，结构，移动方式，动力来源，仿造乌贼等海洋软体动物提出设想，实际应用前景广阔。随着科学技术的发展,水下仿生机器人在智能材料制成的驱动装置、游动机理方面会不断地完善,在个体的智能化和群体的协作方面也会有很大的发展。 关键词:水下机器人；深海探索；仿生；
PRESENTSTATEANDFUTUREDEVELOPMENTOFUNMANNEDUNDERWATERVEHICLETECHNOLOGYRESEARCH ZHUYuxuan Abstract:Inthispaper,thehistory,；theexplorationofdeepsea;Bionic
1引言(Introduction) 世界海洋机器人(unmannedmarinevehicles,UMV)发展的历史大约60年，经历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。加拿大国际潜水器工程公司(ISE)总裁麦克·法兰将海洋机器人的发展历史分为4个阶段[1]，并将前3个阶段 称为革命(revolution)：第一次革命在20世纪60年代，以3人潜水器为标志；第二次革命为70年代，以遥控水下机器人的迅速发展为特征；第三次革命大体为80年代，以自主水下机器人的发展和水面机器人(USV)的出现为标志。现在则是混合型海洋机器人的时代。 水下机器人(Unmannedunderwatervehicle,UUV)是一种可在水下移动、具有感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的机电一体化智能装置。水下机器人是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一,亦是建设海洋强国、扞卫国家安全和实现可持续发展所必需的一种高技术手段。 水下机器人的移动方式十分多样。螺旋桨推进的水下机器人存在流体推进效率低、动作不灵活、噪音大、桨叶会伤害海洋动物等问题。针对这些问题,游动水下仿生机器人如机器鱼应运而生,但它们耐压能力较低。软体动物乌贼凭借喷射和鳍波动的高效、灵活的复合游动方式,成功地与鱼类竞技海洋;它们依靠肌肉性静水骨骼,活跃于从上千米的深海至海平面的广阔海域。[2]就当前水下仿生机器人的发展水平来看，现有水下仿生机器人的功能特性仍然与被模仿的生物存在很大差距。生物体本身结构复杂，其运动规律又难以观测，学科交叉方面也存在问题。这都限制了仿机器人的发展。在未来的发展中，应利用多学科优势并从生物性能出发，使得水下仿生机器人向着结构与生物材料一体化的类生命系统发展，才能在生产生活中发挥更为重要的作用。[3] 2 水下机器人分类(Thecategoriesofunderwaterrobot)
水下机器人在机器人学领域属于服务机器人类，它包括有缆遥控水下机器人(remotelyoperatedvehicles,ROV)和自主水下机器人(autonomousunderwatervehicles,AUV)2大类。此外由于载人潜水器在技术和功能上与水下机器人有共性,我们将其纳入水下机器人类。其实这3类机器人的主要差异在于操作模式，ROV是拴在宿主舰船上，由操作人员持续控制；AUV则是可经过编程航行至一个或多个航点，自带电能，不用缆线。美军在2014年搜寻马航客机残骸出动的“金枪鱼”就属于AUV。但是这两种类型的无人潜航器（UUV）同样都会涉及到包括仿生、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通讯、能源系统等六大技术。目前，水下机器人主要于水产养殖、水下结构勘查、水底残骸估测、救援、环境生态监测、水下摄影等领域。比如，在2011年的日本海啸后，就有使用大量的水下机器人帮助水产行业恢复；德国则是把“海獭”水下机器人用于近海石油调查、通信线路检查、军事应用以及深海探测打捞等。
遥控式水下机器人(remotelyoperatedvehicles,ROV）
ROV的能源和控制指令都由水面控制台提供，通过脐带缆传递给ROV。ROV的有点在于动力充足可以支撑复杂或大型的探测设备，信息采集和数据传送工作快捷方便，数据采集量大，由于其操作控制和信号处理等工作全部由水面的计算机和工作站来完成，人机交互水平高于AUV，所以ROV的总体决策能力要高于AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命线脐带缆，在短程操作中问题不大，但是在长距离水下作业中，脐带缆很容易与水下其他结构发生缠绕，当距离较长时，对ROV的动力也是一个很大的挑战。 图1列出了2002年和2008年遥控水下机器人数量按深度分布的情况。从图中可以看出：潜神小于1000m的机器人占总量的40%左右，这是由于绝大多数海洋资源在近海，近海水下生产活动多，需求量最大；中等潜深（2000~4000m）的大约占26%主要服务于深水油气生产及大洋中脊的科研活动潜深大于7000m的占31%。 图1ROV按深度的数量分布（%） (%) 注：图中深色为2002年数据，浅色为2008年数据，纵坐标为数量/总量的百分比，横坐标×1000m为深度。根据[4]数据绘制
自主水下机器人(Autonomousunderwatervehicles,AUV）
AUV涉及流体力学、水声学、光学、通信、导航、自动控制、计算机科学、传感器技术、仿生学等众多领域的高新技术，成为当代科技最新成果的结晶。AUV在水下通过各类传感器测量信号，经过机载CPU进行处理决策，独立完成各种操作，例如进行水下机动航行，动力定位，信息采集，水下探测等。通常这种机器人依靠水声通讯技术与岸基和船基进行联络，或者浮出水面，撑起无线电天线，与陆基和卫星进行通讯。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身携带可充电电池、燃料电池、闭式柴油机等。该类设备优点是活动范围可以不受空间限制，并且没有脐带缆，不会发生脐带缆与水下结构物缠绕问题，但是水下的续航能力和负载能力受到自身能源的强烈制约，只能完成 一些短程和轻载的工作，而自身的CPU处理能力又很大程度上限制了AUV所能从事工作的复杂程度。 AUV在实际的水下作业中无需人工干预，它们可以自主地航行在难于接近的、无法预知的或危险的海洋环境之中，完成自主导航、自主避障和自主作业等任务。因此，AUV成为完成各种水下任务的有力工具，例如，在海洋工程领域，可用于施工前调查、施工中监视、施工后巡检，水下作业支援，水下施工、维护、维修等；在海洋科学研究领域，可以海洋环境数据采集，海床地质地貌勘察，海洋考察，及冰下科学考察；在军事领域，则可用于敌情侦察，水雷战与反水雷战，援潜救生等。
图2英国的“AUTOSUB”
3水下仿生机器人（bionicunderwaterrobot）
图4：水下仿生机器人发展历程 水下仿生机器人主要研究和发展趋势(The mainresearchanddevelopmenttrendsof bionicunderwaterrobot） 仿生机器鱼(bio-mimeticrobotfish)又名机械鱼，人工鱼或鱼形机器人)，顾名思义即参照鱼类游动的推进机理利用机械电子元器件或智能材料(smartmaterial)来实现水下推进的一种运动装置。鱼类是最早的脊椎动物之一，经过长期的自然选择进化出非凡的水下运动能力，鱼类的运动具有高效、高机动、低噪声等特点。国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究。对鱼类的形态、结构、功能、工作原理及控制机制等进行模仿、再造，能提高水下机器人的推进效率和速度，使水下机器人更适合在狭窄、复杂和动态的水下环境中进行监测、搜索、勘探、救援等作业。1994年MIT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼。（如上图）该阶段机器鱼主要采用BCF推进模型，研究人员致力于如何提高推进效率以及提高机器鱼的运动灵活性。此后，结合仿生学、机械学、电子学、材料学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点。 大部分鱼类的推进方式分为身体尾鳍（bodyand/orcaudalfin，BCF）推进模式和中间鳍对鳍（medianand/orpairedfin，MPF）推进模式两种。其中，采用BCF模式游动的鱼类，主要通过身体的波动和尾鳍的摆动产生推进力，其瞬时游动的加速性能好，周期游动的巡航能力强；采用MPF模式的鱼类，主要依靠胸鳍或腹鳍的摆动产生推进力，其机动性能好。如2010年新加坡南洋理工大学研制的“RoMan-II”仿生蝠鲼试验样机（图5），身体两侧平均分布有6个柔性鳍条，通过鳍条的拍动产生推进力，可实现各个方向的机动性，该样机可完成 原地转弯和直线后退等高难度动作，稳定巡航时，速度可达到s[5]。 图5图6 近年来，随着仿生材料、柔性材料的出现，采用柔性驱动成为了水下仿生机器人的一个研究热点。如2011年，美国弗吉尼亚大学研制的仿生蝠鲼（图6），质量为。该仿生蝠鲼的鳍条采用人工肌肉产生驱动力，通过水池游动试验测定其速度可达s。此外，美国哈佛大学也进行了柔性驱动的相关研究，并研制了利用柔性胸鳍进行推动的水下机器鱼。
水下仿生机器人的问题(TheProblemsofbionicunderwaterrobot)
水下仿生机器人发展至今，对其研究取得了一系列的成果，显示出了广阔的应用前景和极强的生命力。但由于其学科交叉性，发展至今依然存在“形似而神不似”、实际应用有限等诸多问题。其中有一些是仿生机器人的共性。首先，科学家们对海洋生物的生物机理了解不够透彻，学科交叉不够成功。其次，当前机器人多采用刚性结构，这固然有着运动精确的优点，但结构的刚性使其环境适应性较差，在狭窄空间内的运动受到限制，无法通过尺度小于机器人尺度或形状复杂的通道，并且，刚性结构也难以适应深海水压变化。（如表一）第三，现代仿生材料已经发展到了较高的阶段，具有最合理的宏观、微观结构，并具有自适应性和自愈合能力。在比强度、比刚度与韧性等综合性能上都是最佳的然而对于水下机器人的研究工作并没有很好地应用这些成果。第四，现有的仿生驱动方式以机电驱动为主，相较于生物凭借微量化学物质就能转化出巨大能量来讲，能量转换效率上难以望其项背。