水下机器人文献综述

《水下机器人》的文献综述内容摘要水下机器人依据其控制方式可分为有缆遥控水下机器人(ROV)和无缆自治水下机器人(AUV)两大类。ROV和AUV各有其优缺点。从集ROV和AUV两者优点的思路出发，设计遥控自治水下机器人（ARV）。本文先从水下机器人的有关概、关键技术、焦点问题出发，然后详细综述了国内外水下机器人的研究现状，对国内外研究现状存在的的问题进行了分析和讨论，并对ARV原理样提出了简单的设计方案，最后对今后可进行的研究内容做了展望和总结。关键词：水下捕捞机器人ROVAUVARV第一章前言1.1水下机器人有关概念水下机器人是能在水中浮游、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作的方式使用机械手及其其他水下作业，代替人或辅助人去完成某些水下作业的自动化装置。依据其控制方式可分为有缆遥控水下机器人(RemotelyOperatedVehicle，简称ROV)和无缆自治水下机器人(AutonomousUnderwaterVehicle，简称AUV)两大类[1]。ROV作业时间长、数据传输快速可靠、整体决策能力高、便于回收，但是活动范围受限、电缆缠绕、过于依赖人的控制。而AUV活动范围大、潜水深度深、自身决策能力高，但是能源有限、成本高、设计难度大、风险高损失大[2]。从集ROV与AUV两者优点于一体的思路研究，各国学者提出了介于ROV和AUV之间的混合型水下机器人。日本海洋科学与技术中心(JAMSTEC)研制的UROVTKE[3]、美国研发了“海神”号(Nereus)HROV[4]均属于此类型。目前我国在此方面也作了研究，提出ARV(Autonomous&Remotely—operatedVehicl）新型水下机器人概念，此新型水下机器人具有两种工作模式，既可作为传统的ROV使用又可作为AUV使用。针对大面积的搜索、探测，它可以像AUV一样利用声纳、摄像机进行自主探索和测绘工作；一旦找到目标，潜器将可迅速转换成一个ROV，通过操作人员遥控进行近距离的成像和采样[5]。1.2发展水下机器人的必要性在浩渺的海洋中拥有丰富的生物资源、矿物资源、海洋能源和广阔的海洋空间。海洋资源的开发和利用对人类未来的生存和发展将具有十分重要的意义，海洋领域之探索将成为必然的发展趋势[6]。而水下机器人是海洋开发的重要工具。1.3《水下机器人》文献综述目的通过翻阅这些参考资料和文献，初步了解了国内外水下捕捞机器人的发展现状、设计形式和设计方案。然后自主研制出具有自主知识产权的多功能新型水下机器人系统，该系统具有流线型结构，通过自身的六个推进器相互配合，完成水下各个方向的运动。1.4水下机器人的关键技术1.4.1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，集几十种学科技术于一体，相互牵制，设计时要在满足总体性的要求的情况下，相互协调。从流体动力学角度来看，外形采用低阻的流线型体。结构采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料。1.4.2仿真技术由于水下环境复杂多变，且不可接近，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：平台运动仿真和控制硬、软件的仿真。1.4.3水下目标探测与识别技术目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳[7]、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。1.4.4智能控制技术智能控制技术的体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。1.4.5路径规划技术路径规划就是在具有障碍物的环境内，按照一定的评价标准，寻找一条从起始状态（包括位置和姿态）到达目标状态（包括位置和姿态）的无碰路径[8]。目前，路径规划分为全局路径规划和局部路径规划，路径规划也是建立在水下机器人对其环境了解程度的基础上的。全局路径规划需要运动空间里完全的障碍物信息，而局部路径规划可以通过当前的声纳信息实时地规划。常用的有两种路径规划方法，一种是坐标系旋转法，基本思想是将坐标系绕着Z轴旋转，直到X正半轴方向指向来流方向，在工作中保证机器人的姿态始终与X正半轴方向一致。另一种是基于栅格的位形空间激活值传播法。1.4.6水下导航技术由于受到尺寸、重量及电源使用的限制，要在水下无人航行器上实现非常精确的导航系统是相当困难的，水下机器人导航系统的发展需要传感器数据的综合和导航传感器技术的进展。水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统。1.4.7通讯技术目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。1.4.8能源系统技术水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，需要具有体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本的能源系统。目前主要有热系统和电-化能源系统。热推进系统可为水下机器人提供数天（并有望长达数周）的作业时间[9]。1.4.9材料水下机器人的材料技术开发的重点是廉价的轻型材料，这类材料应具有大浮力、大强度、耐腐蚀及抗生物附着等特点。目前水下机器人所用的浮力材料，主要由FlotationTechnologies的FlotecTM材料系列；BalmoralOffshoreEngineering的复合泡沫系统；MatrixComposites&Engineering的XIRSynMacro复合泡沫体系，可适应水深为4500m；TrelleborgCRP的TrellsynTM复合材料系列[10]；目前较常用的水密壳体材料有高强度的铝合金、钢、钛合金、丙烯酸塑料和玻璃等[11]。1.4.10低速控制水下机器人的低速控制装置包括五个基本部分，即水下机器人平衡和攻角的可变压载系统、六自由度定位的垂直和横向推进器、为高速航行提供升力的艉控制面和控制前进/后退运动的轴向推进器。1.4.11低阻力技术设计研发水下机器人形状时，需综合考虑其内部空间的使用情况及布放/回收的难易程度等因素。目前各研究机构正在继续研发水下机器人的新型流体动力设计，但目前的设计大多采用鱼雷形状。1.4.12降噪技术目前研发的水下机器人降噪方法包括采用机械隔离装置、吸声外壳涂层、低噪音推进电机、螺旋桨和泵喷方式等。1.5目前水下机器人主要焦点问题水下机器人未来的发展方向为智能化、远程化、往深处发展，而续航能力是亟待解决的问题[12-13]。在控制和信息处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密导航定位的随感能力等。大多数水下机器人运动控制方法的研究还都停留在仿真的阶段上[14]。第二章主体部分2.1国内外研究现状ROV是远程无人有缆的遥控操作潜器，通过一根电缆和水面船连接从而获得能源，控制命令并进行通讯。ROV的雏形是几个美国人想要观察神秘的海底世界，于是在上世纪50年代，他们将普通摄像机密封在防水壳体内将摄像机送入了海底，形成了第一代第一个浮游式有缆水下机器人呢。世界上真正意义上的第一个ROV是1960年美国研制的“CURV”。1966年1月美国利用“CURV”在大西洋西班牙外海打捞起一颗因轰炸机失事失落的氢弹，氢弹的成功打捞引起了全世界的极大轰动，从此人们开始重视ROV技术的研究[15]。“RCV-125”——世界上第一个商业化的ROV,于1975年问世。“RCV-125”属于观察型ROV，因为外形像一只球，所以又称作“眼球”。“眼球”首先被应用在了北海油田和墨西哥湾[11]。“RCV-150”型ROV是在“RCV-125”的基础上由HydroProduets公司在1978年到1980年设计改装出来的（图1-1）。RCV-150最大下潜深度可达914m，拥有四个推进器，可用于水下管道连接，还可以为水下钻井提供帮助图1-11RCV-150现代ROV系统的种类可按尺寸、驱动形式、功率和下潜深度进行划分，如表1-1所示[16]。表1-1类型能力功率/kW小型（电动）观察（小于300米）小于7.4大型（电动）观察/轻微作业（小于3000米）小于14.7极深（电动）观察/数据采集（大于3000米）小于18.4中等（电动/液压）轻微/中等强度作业（小于2000米）小于73.6大型（电动/液压）大强度/大负载（小于3000米）小于220.7极深（电动/液压）大强度/大负载（大于3000米）小于88.3小型ROV多数是低成本的ROV，其中大部分是以电力为能源，正常工作水深在300m或300m以下。这类水下机器人呢主要任务是检测和观察。目前由于电力能源系统技术的改善，小型ROV得到了快速发展，在容量、深度和性能方面得到了显著调高。小型ROV的造价一般大约在10000~100000美元。目前小型ROV在水下娱乐、打捞救助、水产养殖、科学研究、大坝和水路及港口检测、城市地下管道检测、水下训练和航运及核设施检查、近海检查和观测任务等方面得到了广泛的应用。1981年国际水下公司出售的RASCL是最早市售的小型ROV，售价为45000美元。1984年国际深海系统公司出售的MINIROVER售价为286000美元。1985年深海工程公司出售的Phantom售价为30000美元。目前，这类小型ROV的数量占所有ROV数量的比例大约为22%。美国seaBotix公司生产的ROV一般成系列化，LBV150-4（图1-12）额定下潜深度150m，长530mm，宽245mm，高254mm，对角线长353mm，在空气中重11kg，使用耐压壳体和聚乙烯框架作为安装架及保护框架。配备4个无刷直流推进器，前向2个，推力7kgf~15.4kgf；1个垂向推进器，推力3kgf~6.6kgf；1个侧向推进器，推力3kgf~6.6kgf，在水面运动时速度可到3节，最大抗流能力2节。配有520线摄像头以及180°旋转云台，可观察270°范围内景物。配有方向、深度和温度传感器。配备了8mm150m长零浮力缆，通过凯夫拉加强，工作强度为100kgf，破断强度为700kgf，通过内部的屏蔽双绞线传输电源和控制信号，通过普通双绞线传输视频信号。LBV150-4ROV坚固、耐用、体积小巧，转动灵活，操作使用简单，维护方便，质量可靠的，并且配备了工业级摇杆和防水键盘,可以控制ROV的前进、后退、转向、上浮、下潜和侧移，而且还可以控制照明灯的强度和摄像头的转动和俯仰，可以调整摄像头焦距[17]。图1-12LBV150-4英国AC-CESS公司的AC-ROV100(图1-13)具有单个人在3分钟内单手完成布放的快速简单的特点。AC-ROV100长203mm，宽152mm，高146mm，可以灵活的进入直径190mm的管道。重量仅为3kg，潜深100m。4个水平推进器矢量分布，使其前推进器数等同于4个以及侧推进器数也等同于4个。AC-ROV100的推进器矢量分布设计使其侧推与前推等同动力，使其前后左右运动可以拥有相等的速度，从而也可以在给定的任意方向流场环境中使AC-ROV100保持稳定状态。AC-ROV100还拥有2个垂向推进器，可以控制ROV的上下与倾斜。配有深度、温度、潮湿和进水检测传感器，可以监视ROV工作环境和自身参数[18]。图1-13AC-ROV美国VideoRay公司开发了用于水产养殖、商业潜水、教育、科学研究、水库检测、港口安检和海上石油平台水下结构物等的系列超小型水下机器人VideoRayPRO3和VideoRayPRO4系列，其中VideoRayPRO3系列包括PRO3E，PRO3S，PRO3XE等潜深152m总重量不同以适应不同水下使用情况，VideoRayPRO4系列包括PRO4AQ300MS，PRO4CD300BASE，PRO4SAR300BASE等潜深300m应用于水产养殖、港口安检和水下救援打捞等不同用途的小型ROV。VideoRayPro3E（图1-1