关于国内外AUV-的发展现状与趋势的研究

中科院沈阳自动化研究所20151关于国内外AUV的发展现状与趋势的研究图1-1封面一1、国内外AUV的发展现状智能水下机器人(AUV)是无人水下机器人(UUV)的一种。无人水下航行器技术无论在军事上、还是民用方面都已不是新事物，其研制始于2O世纪50年早期民用方面主要用于水文调查、海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞试验丢失的海底武器(如鱼雷)，后来在水雷战中作为灭雷具得到了较大的发展。2o世纪80年代末，随着计算机技术、人工智能技术、微电子技术、小型导航设备、指挥与控制硬件、逻辑与软件技术的突飞猛进，自主式水下航行器得到了大力发展。由于AUV摆脱了系缆的牵绊，在水下作战和作业方面更加灵活，该技术日益受到发达国家军事海洋技术部门的重视。在过去的十几年中，水下技术中科院沈阳自动化研究所20152较发达的国家像美国、日本、俄罗斯、英国、法国、德国、拿大、典、意大利、挪威、冰岛、葡萄牙、丹麦、韩国、澳大利亚等建造了数百个智能水下机器人，虽然大部分为试验用，但随着技术的进步和需求的不断增强，用于海洋开发和军事作战的智能水下机器人不断问世。由于智能水下机器人具有在军事领域大大提升作战效率的优越性，各国都十分重视军事用途智能水下机器人的研发，著名的研究机构有：美国麻省理工学院MITSeaGrantSAUV实验室、美国海军研究生院(NavalPostgraduateSchoo1)智能水下运载器研究中心、美国伍慈侯海洋学院(WoodsHole0ceanographicInstitute)、美国佛罗里达大西洋大学高级海洋系统实验室(AdvancedMarineSystemsLa．boratory)、美国缅因州大学海洋系统工程实验室(Ma．rineSystemsUnderwaterSystemsInstitute)、美国夏威夷大学自动化系统实验室(AutonomousSystemsLabo．ratory)、日本东京大学机器人应用实验室(UnderwaterRoboticsApplicationLaboratory(URA))、英国海事技术中心(MarineTechnologyCenter)等。美国海军研究生院AUVARIES(图1，见封一)主要用于研究智能控制、规划与导航、目标探测与识别等技术。图2(见封一)是美国麻省理工学院的水下机器人Odyssey11，它长2．15m，直径为0．59m，用于两个特殊的科学使命：①在海冰下标图，以理解北冰洋下的海冰机制；②检测中部大洋山脊处的火山喷发。美国的ABE(图3，见封一)最大潜深6000m，最大速度2节(编者注：1节=1海里／时=1．852km／h)，巡航速度1节，考察距离≥30km，考察时间≥50h，能够在没有支持母船的情况下，较长时间地执行海底科学考察任务，它是对载人潜水器和无人遥控潜水器的补充，以构成科学的深海考察综合体系，为载人潜水器提供考察目的地的详细信息。日本研制的R2D4水下机器人(图4，见封一)长4．4m，宽1．08m，高0．81m，重1506kg，最大潜深4000m，主要用于深海及热带海区矿藏的探察。能自主地收集数据，可用于探测喷涌热水的海底火山、沉船、海底矿产资源和生物等。REMUS(remoteenvironmen．talmonitoringunits，远距离环境监测装置)是美国Hy—droid公司的系列水下机器人(图5，见封一)。RE．MUS600()工作深度为25～6000m，是一个高度模块化的系统，代表了自主式水下探测器的最高水平。中国智能水下机器人技术的研究开始于2()世纪8O年代中期，主要研究机构包括中国科学院沈阳自动化研究所和哈尔滨工程大学等。中国科学院沈阳自动化究所蒋新松院士领导设计了“海人一号”遥控式水下机器人试验样机。之后“863”计划的自动化领域开展了潜深1000m的“探索者号”智能水下机器人的论证与研究工作，做出了非常有意义的探索性研究。哈尔滨工程大学的智水系列智能水下机器人已经突破智能决策与控制等多个技术难关，各项技术标准都在向工程可应用级别靠拢。图6(见封一)的哈尔滨工程大学“智水一4”智能水下机器人在真实海洋环境下实现了自主识别水下目标和绘制目标图、自主规划安全航路线和模拟自主清除日标等多项功能。图7(见封一)是哈尔滨工程大学的综合探测智能水下机器人。目前通过各科研机构和大专院校的同期研制工作，智能水下机器人已经服役并正在形成系列，特别是中国科学院沈阳自动化研究所与俄罗斯合作的6000m潜深的CR一01(图8，见封一)和CR一02系列预编程控制的水下机器人，已经完成了太平洋深海的考察工作，达到了实用水平。由于在工业设计、制造工艺、综合控制、目标探测、导航地位和通讯等领域中国同水下技术发达的国家相比还有一定差距，致使我们的水下机器人在实际应用中还有较大限制。相关领域从国外购买或租赁的水下机器人不但价格高，配套服务难，而且很多产品并不是专门开发的，并不适合中国海域的使用。所以随着海洋开发和军事用途需求的不断增长，开发更具有实用价值的智能水下机器人势在必行。目前世界上共研制了约70艘AUV，表1列出了最近几年研制的主要AUV的特征，表1按技术的先进程度对近年研制的AUV进行了取舍。AUV已经多次成功地应用于海底石油与天然气、天然气水合物、大洋多金属结核和热液硫化物矿床等海洋矿产资源的探测．这里主要介绍AUV的最新应用，即在水雷搜索，冰下探测中科院沈阳自动化研究所20153以及水下作业中的应用。表1近年来研制的部分AUVAUV国内发展情况在世界各国研究AUV如火如荼时候，我国才开始起步研究，但是这种研究也仅仅集中在少数高校和研究所中。在1986年实施863计划之前，研制的都是仅能达到300米的有缆遥控水下机器人。到九十年代，我国在水下航行器技术领域获得了重大突破。沈阳自动化所在1994年和1995年分别与国内的中科研声学所、中船重工702所还有几所重点高校和俄罗斯科学院海洋技术研究所合作研发了“探索者”号和CR-01(图1-2)，这两种无缆的水下航行器。前者工作深度达到了1000米，后者则是达到了6000米，我国一下跻身到在机器人总体技术水平的世界先进行列，也成为了AUV能下潜到6000米的少数国家之一。CR-01可以按照预订航线进行航行，在6000米水下能够拍照、摄像、海底沉物目标搜索观察、海底多金属结核丰度测量、海底地势与剖面测量等等。CR-01型AUV主要是为了用于对矿产资源的勘测和开发，其研究得到了中国大洋矿产资源开发研究协会支持。图1-2CR-01型水下航行器名称重量/kg深度/m尺寸/m航速/kn续航力研制单位ALIVE3500长4/宽2.2/高1.6110h法国CybemextixAUTOSUB1600长7.0/宽0.90/高3500km/144h英国SOCBPAUV220270长3.05/直径0.533美国BluefinCARIBOU4004500长2.6/直径0.583.0-4.020h美国MITCETUS1504000长1.8/宽0.8/高0.51.5-2.520-40km美国MITHUGIN300014003000长5.35/直径1.04440km/60h挪威KonsbergHUGIN1000600-800600长3.85-5/直径0.753.0-4.024h挪威KonsbergR2D41506-16034000长4.4/宽1.08/高0.81360km日本东京大学REMUS35100长1.32/直径0.193.0-5.022h美国WHOISAUVIM65006000长5.8/宽2.1/高1.835km美国夏威夷大学ANTHOS2003000长2.8/直径0.581.0-3.022km/4h美国MIT中科院沈阳自动化研究所201542008年3月CR-02型AUV6000米深海试验成功，标志着中国在自主式水下航行器技术和应用方面实现新的跨越，达到世界先进水平。CR-02型(图1-3)AUV的本体长4.5米，直径0.8米，最大工作深度与CR-01一样，6000米，续航达25小时，定位精度小于20米，长基线声纳定位系统作用距离为10-12千米，剖面仪地层穿透深度达50米。CR-02型AUV主要用于国际海底复杂环境下的海底矿产资源调查、作业海区现场海洋环境的测量、深海采矿场所的前期和后期调查、在某些特殊情况下还可作为定点调查设备使用，也可以应用于失事舰船调查和深海科学考察。图1-3CR-02型水下航行器由哈尔滨工程大学、华中理工大学、702研究所和709研究所共同开发研制的自主式智能水下机器人“智水”系列(图1-4)代表了我国军用AUV的先进水平,该系列AUV可用于海域扫雷,自主巡航等。经实验表明在智能控制等诸多方面“智水”都达到较高的水平。图1-4“智水Ⅲ”型水下航行器AUV国外发展情况（1）美国a美国海军空间和海战（SPAWAR）系统中心该中心主要从事AUV的指挥和控制系统、光纤和水声通信系统、非金属材料和运载器总体的研制。该中心拥有三个UUV试验运载器：先进的无人搜索系统（AUSS）、自游者II（FreeSwimmerII-SFII）和飞行插塞（FlyingPlug）。AUSS是一个用于深海搜索的鱼雷形AUV，全长5200mm，直径800mm，重量1230kg，以最大速度6kn航行航力为10小时，采用20kWh银锌电池，推进装置为2个垂直推进器和2个纵向推进器。AUSS带有水声通信设备，可在水深6000m的水下向水面传送侧视声纳数据或CCD电视信号，AUSS是自主式的，它对目标中科院沈阳自动化研究所20155的搜索时间只需常规拖曳式搜索系统的1/10。该AUV通过声遥链控制，已经通过了演示和鉴定。此外，自游者是一种可用作自主式运载器的鱼雷形UUV，飞行插头是一种小型运载器。b麻省理工学院由麻省理工学院研制的ODYSSEYAUV主要用于科学考察和海洋自动取样网络研究，该AUV长度为2200mm，直径570mm，水平运动速度大于4kn，爬升速度大于3kn，续航力6小时（3kn时），如果采用最大电池结构，续航力可达24小时。该AUV主要采用1.1kWh的银锌电池（采用最大电池结构时5kWh），推进系统在四个控制面之后有一个电动推进器。cWoodsHole海洋研究所由该海洋研究所研发的ABEAUV主要用于深海海底观察，其特点是机动性好，能完全在水中悬停，或以极低的速度进行定位、地形勘测和自动回坞。该AUV长2200mm，速度2kn，续航力根据电池类型在12.87~193.08km之间。其动力采用铅酸电池、碱性电池或锂电池。d通用动力公司和雷声公司1988年，通用动力公司开始研制XP-21AUV，该AUV的研制工作目前已由雷声公司承担。XP-21是一型直径为533mm的自主式AUV，采用模块化设计，长度可在2.44~7.32之间任意选择，其标准型的重量为635kg，速度为0~5kn，工作深度为9.14~3653.63m。该AUV主要用于水雷战。其侧视声纳为双频、单波束、数字式声纳，频率为100kHz和500kHz。高频用于探测大型水雷，低频用于探测沉底雷并对其进行分类。前视声纳采用多波束数字式声纳，可填补侧视声纳的探测盲区，以探测和分类沉底雷和锚雷，同时也可用于避障。e美国国防高级研究计划局（DARPA）和CSDLDARPA和CSDL已经建成了两个可用作试验平台的AUV，该AUV长10.97m，直径1.112m，重6804kg，第一个AUV的最大工作深度为304.48m，第二个为457.2m。该航行体采用12马力的无刷电机，最大航速为10kn，续航力为24小时。这两个AUV已经成功完成了海试。f佩里技术公司佩里技术公司研制的MUST（机动系统试验）AUV是一种供试验和演示用的AUV，长9.144m，重8834.8kg，工作深度60.96m。该AUV采用10马力主推进电机，电源为铅酸悬挂式电解电池组，航速为0~8kn。推进系统采用于个推进器，使航行体可作悬停、垂直或横向运动。美国海军研究生院（NPS）NPS于1987年开