水下无人机概述.doc

机器人学及前沿专题 2014-12-151 / 10水下无人机概述【摘要】 本文就水下无人机（又称水下机器人）的起源、研究现状、关键问题以及未来发展做了较为详细的概述，针对水下无人机的不同分类和应用分析了其关键技术和不同的应用场景，提出了未来技术发展的趋势关键字】水下无人机，机器人，ROV，AUVAbstract: This article overview the different categories and applications for underwater drones (also known as underwater vehicles, UV) about its origin, research works, key issues, and the future development. The key technologies and different application scenarios of UV are analyzed, and the future trend of technological development is also proposed.Keywords: underwater drones, Robot, ROV, AUV1 背景及起源江、河、湖、海的水底世界自古令人神往，同探索太空一样，对水底未知世界的探索一刻也没有停歇，可以说，人类对海洋的了解比对太空的了解还少： 12000 年前，沉没于大西洋底的亚特兰蒂斯大陆是什么样子?维京海盗在地中海底的宝藏能找到么？有没有大西洋人？北海海底的泰坦尼克还在不在？海里有多少种鱼？到底有没有河伯、龙王？……所有这些都不断激励着人们去探索和求证。

俗话说，眼见为实，但人在水下最多潜到 10 米左右，不带氧气一般坚持 2、3 分钟，世界纪录也才不过是 15 分 58 秒，无器具潜水最深的世界纪录是澳大利亚人 Herbert Nitsch 创造的214 米，这已经是人类的极限了因此，为了在时间和空间上拓展人类在水下的能力，需要借助护甲（如潜水衣、潜艇），和替身（无人深潜器、水下无人机），而守护流动的国土，水下资源的勘探，水下生态的研究，都离不开对应的手段和工具，这是国家战略的需要，也是国家科技水平的体现，毫无疑问，在海洋开发和末来战争中，水下无人机起着举足轻重的作用2 当前研究现状水下无人机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、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置在上世纪 70 年代,水下无人机得到了很大发展,开发出了一批能工作在各种不同深度、进行多种作业的机器人,可用于石油开采、海底矿藏调查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和检查、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域机器人学及前沿专题 2014-12-152 / 102.1 水下无人机分类水下无人机 UUV，Unmanned Underwater Vehicle 可分为三大类: 一类是有缆水下无人机,习惯称拖曳式水下无人机（Towing Underwater Vehicle，简称 TUV），一类是遥控潜器(Remote Operated Vehicle,简称 ROV);另一类是无缆水下无人机,习惯称为自治式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle,简称 AUV)。

从第一代上世纪 60 年代的有人深潜器开始，迄今已经过了ROV（ 70 年代）、AUV（80 年代）和混合类型的第四代（ Hybrid Vehicles）的演进 [1]2.2 研究现状目前国内的哈尔滨工程大学研制的 AUV，上海交大的 ROV，中船重工 715 所的 TUV 以及中科院沈阳自动化所的 ROV 和 AUV 等是我国有代表性的研究成果在国际上，美国伍兹霍尔海洋研究所，MIT 水下无人机研究所，美国海军研究生院智能水下运载器研究中心，葡萄牙波尔图大学，东京大学水下无人机应用实验室，英国海事技术中心等是长期进行水下无人机研制的主体力量 在学术界，水下无人机的文章比较集中的期刊包括：《Ocean Engineering》、《Marine Technology Society Journal》、《IEEE Journal of Oceanic Engineering》、《Sea Technology 》，预计 2015 推出的《Marine and Underwater Science and Technology》(MUST)，是 AUVAC 主席Dick Blidberg 教授准备推出的一本国际期刊， 相信将会为业界提供又一高等次的合作和交流平台。

2.3 代表性成果自沈阳自化所于 97 年蒋新松院士领导下开发出“海人一号”水下无人机 ROV 以来，后续又在 863 等重大项目资助下开发了 1000 米深的“探索者”以及在封锡盛院士领导下，与俄罗斯合作研发的 CR 系列，可达 6000 米在 2011 年又开始进行“潜龙 1 号” AUV 的研制并成功此外，哈尔滨工程大学研制的具有自主识别和测绘功能的“智水-3 号”也是我国 AUV 的典型代表 a. 探索者 b.CR091机器人学及前沿专题 2014-12-153 / 10c. 潜龙一号 d.智水-3 号图 1. 国内的水下无人机美国 MIT Odyssey 的系列 ROV 是世界顶尖海洋打捞公司奥德赛海洋勘探公司（Odyssey Marine Exploration）的顶尖产品，在生产中发挥了巨大价值2007 年 5 月 18 日宣布，该公司在大西洋海底一艘 366 年前的沉船上打捞出重达 17 吨的殖民时期钱币，包括约 50 万枚银币和数百枚金币，价值高达 5 亿美元 [2]，这是有史以来人类"出水" 的最大一笔海底沉船财富。

国际上典型第四代的水下无人机是可深潜 11000 米的美国海神号（Nereus），此外日本下潜 4000 米的“R2D4 ”，下潜可达 6000 米、模块化构成的美国 REMUS 系列等 AUV 也是代表性的成果 a. MIT Odyssey b. Nereusc. R2D4 d.REMUS图 2. 国外的典型产品3 关键问题及挑战正如所有的科学探索一样，有成功也有失败，就像上节提到的“海神号”，在 2014 年 5月 10 日探索新西兰克马德克海沟时在水下 9990 米处失踪,根据后来海面上漂浮的潜水器的碎片机器人学及前沿专题 2014-12-154 / 10分析，可能的情况是，潜水器的陶瓷层在数千米深的海中崩溃 [3]因此，水下无人机本体所需的各种材料及技术仍需要继续提升除上述共性问题外,还有几个特殊问题 [4]3.1 水下无人机控制问题水下无人机是在水中运动的具有六个自由度的刚体,它本身就是一个强耦合的非线性系统;由于在水中运动,水动力(阻力)系数和运动速度的平方成比例; 采用螺旋桨推进,推力和螺旋浆转速平方成正比。

这一切使得控制问题变得很困难,特别是要求在定点进行作业时,上述原因造成在零速时的“零增益、零阻尼 ”现象 ,使得动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求这是一个有待研究的问题 图 3 是两种水下无人机的控制原理图 3. ROV 和 AUV 的控制原理3.1.1 TUV 和 ROV 控制系统及结构发展TUV 和 ROV 水下无人机的控制技术既有相同之处，也有不同之处，但两者的控制机理是相同的从控制系统结构的角度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同，有缆水下无人机 (ROV)控制系统的设备总体上可以分为三部分： 水上控制设备：水上控制设备的功能是监视和操作水下载体，并向水下载体提供所需的动力 水下控制设备：水下控制设备的功能则是执行水面的命令，产生需要的运动以完成给定的作业使命 脐带电缆 ：脐带电缆用来传递信息和输送动力机器人学及前沿专题 2014-12-155 / 10具体来说，ROV 控制系统由航行控制系统、导航定位系统、信息采集系统、观察系统、作业设备控制系统、水面支持设备控制系统、电缆等构成 [5]目前，随着计算机技术在 ROV 中的广泛应用，人们将采用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术，更形象化地实现对 ROV 的控制。

任何事物总是一分为二的，ROV 的脐带电缆是一个不利因素，它约束了 ROV 的活动范围，增加了水面设备的成本，在复杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着 ROV 的安全，因而解脱这种束缚是各国水下无人机专家追求的目标，这就是自治水下无人机 AUV 技术得以发展的理由3.1.2 AUV 的控制问题AUV 的控制涉及如机器视觉、环境建模、决策规划、回避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变换、动力学计算、多变量控制、导航、通讯、多传感器信息融合以及包容上述内容的计算机体系结构等多方面内容AUV 控制类型划分如下： 预编程型：指 AUV 在完成使命的过程中完全执行预定的程序，在机器人下水前，操作人员根据使命需求，采用专门的语言编制使命程序，并将使命程序下装到机器人上的控制计算机中 智能型：通过路径规划，根据实际作业环境的反馈信息，利用神经网络、模糊控制等人工智能方法动态自主调整机器人的各种状态，做到水下无人机的自适应和自主控制3.2 无人机回收问题目前，除较为平静的内河和湖泊外，深水 AUV 水面回收是不现实的,这是因为深海区浪涌很大海试经验表明,在 4000 米水深的洋面,风平浪静时浪涌也在 3 米以上,这则很难保证回收时,机器人本体和回收装置在同一水平的波面上,这将带来极大的危险，因此还是一个至今还没有完全解决的问题。

50～100 米回收是唯一可行的方案，从使用角度来看,这是十分重要，它的解决，将大大减少回收时人身及设备的危险3.2.1 水下无人机的本体 潜水器：潜水器是携带观察和作业工具设备的运动载体在开式框架结构件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为零；在水平、侧向和垂直方向都装有推进器，从而可实现三维空间的运动框架前部或必要的地方安置云台，在其上装有电视摄像机和照明灯常规的传感器包括：成像声纳、罗盘、深度压力传感器、高度计等水下电子单元包括：水下计算机、驱动器、控制模块，安装在常压的密封仓内系统监视所需要的传感元件包括: 动力、压力、温度、漏水等 中继器：为了能迅速、准确地将潜水器送到预定工作水深和较快地收回到水面，同时为了减弱母船摇摆及脐缆所受海流阻力给潜水器运动和作业带来的附加阻力、干扰和影机器人学及前沿专题 2014-12-156 / 10响，一般有缆遥控水下无人机配置中继器中继器内储存系缆，并装有系缆驱动收放机构，潜水器非工作状态时将与中继器联锁在一起  吊放系统：用以投放、回收中继器和潜水器吊放系统通常采用门形结构、液压驱动，并设有消摆机构和脐带电缆的储存  系缆：用于潜水器和中继器之间机械软连接及能源馈送和信息传输。

系缆套穿浮力材料以使其在水中为零浮力，从而减小水流阻力对本体的干扰  皑装主缆：在吊放架与中继器之间完成机械软连接、能源输送、信息传输的作用它是钢丝皑装结构，以便同时起到吊放钢缆的作用，  观察作业设备：在运动载体上安装摄像机、成像声纳，构成载体的基本系统在需要作业时，可再加装 1—2 水下机械手和多种水下作业工具3.2.2 吊放及绞车系统吊放系统是将中继器与水下无人机本体安全、迅速地施放和回收的必配设备，同时承受连接母船控制台与机器人本体之间的电力控制和数据信息的传输  吊放系统组成：由底架、U 形门架 (悬臂吊架)。