水下設備與水下機器人的研究與應用

劉志忠

（黑龍江省科學院高技術研究院，黑龍江哈爾濱150090）

2007年8月，俄羅斯在北冰洋4300多米的海底插上了一面鈦合金國旗的消息引起了世界各國廣泛關注。俄羅斯科學院遠東分院的科學家新研制的無人水下自動設備“古鋼琴-1”也參與了此次北冰洋插旗活動，據(jù)俄專家稱，這是世界上最好的可在寒冷條件下工作的水下設備。水下研究與機器人技術是俄羅斯遠東地區(qū)優(yōu)勢科研領域之一，特別是俄羅斯科學院遠東分院在該領域的科研工作形成了完整系統(tǒng)，具有明顯特色。

1 海洋技術問題研究所[1]

該所位于海參崴，成立于1988年，現(xiàn)有161名工作人員。其中，科研人員39名，通訊院士1名，博士7名，副博士10名。

1.1 主要研究領域

無人水下機器人及其系統(tǒng)；

海洋環(huán)境結構研究，采用聲學及其它方法對研究海洋的技術設備進行開發(fā)；

生態(tài)與監(jiān)測；

研究海洋能源及其它可再生能源并研制其利用技術。

該所在無人水下自動設備研制領域處于世界領先地位，不僅從事水下機器人的理論研究，還進行無人水下設備的試驗工作。無人水下自動設備已有10多個型號，可進行海底研究、地形拍照、尋找和探測沉沒目標、測量環(huán)境參數(shù)，下潛深度達水下6000米。無人水下自動設備在完成科研和搜索工作、地質勘探及海洋監(jiān)測方面具有很高效率。與美國、法國、中國和韓國都曾有合作項目。

在水文物理方面，該所主要是通過聲學方法對大范圍非均質性（水質分界線前部區(qū)域、氣象旋流和水流）和小范圍非均質性（浮游物、小氣泡聚集）進行研究。非均質性的非固定性和非線性診斷原理研究，可以獲得其在空間和時間上的變化數(shù)據(jù)。

為了預報海洋水產養(yǎng)殖的生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)，研究產量指標，控制經營過程，研制了海洋種群、魚類、動物和軟體動物群落的數(shù)學模型，開展建立生態(tài)研究自動化系統(tǒng)和水環(huán)境監(jiān)測的工作。

該所還研究獲得可再生能源的方法和技術設備，包括太陽輻射能、風能、海波能等。

1.2 組織結構

該所下設4個部，2個獨立實驗室以及相應輔助部門。

水下機器人部(控制系統(tǒng)實驗室，執(zhí)行設備和遙控系統(tǒng)實驗室，傳感器信息處理導航系統(tǒng)實驗室)；

實驗設計和試驗工作部 (水下技術設備的系統(tǒng)和裝置實驗室，測試和試驗研究實驗室)；

應用水聲部(水聲導航系統(tǒng)實驗室，聲吶系統(tǒng)實驗室，聲學天線實驗室)；

生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測部（生態(tài)系統(tǒng)實驗室，生物技術系統(tǒng)實驗室）；

非傳統(tǒng)能源獨立實驗室；

系統(tǒng)保障與計算技術獨立實驗室。

1.3 無人水下機器人的各種型號

表1 該所研制的各種型號無人水下自動設備的技術指標Table 1 The technological index of unmanned underwater auto-equipments manufactured by this institute

設備型號 研制時間 尺寸M 重量KG 最大深度м 速度м/s 續(xù)航時間/h 訂購單位及用途2007 2.27× 0.45(直徑)180 3000 3 34 MMT-3000在海底鋪設管道、電纜等設計工作的海底地形拍照；監(jiān)測海底目標、管道、電纜等目標；海底生態(tài)研究；水下搜救作業(yè)。古鋼琴-1 2007 5.80× 0.9(直徑)2500 6000 1.5 50搜索與監(jiān)測作業(yè)，偵查海底6000米深處的目標。

無人水下自動設備是自行走研究儀器的載體，能夠下潛到指定海洋區(qū)域，深度達到6000米，根據(jù)程序軌道運動，完成所需要的工作，程序結束后可以返回到供給船上或岸邊基地。該裝置在水下自動工作，無需連接電纜。指令的傳送和信息提取是通過水聲通訊系統(tǒng)完成的。水聲導航系統(tǒng)與船載集成導航系統(tǒng)一起來聯(lián)系確定裝置的位置，而船上的操作人員隨時跟蹤其運動軌道。該裝置的水下連續(xù)工作時間取決于設計要求和能源的形式，可達幾十個小時。作為研究儀器，在該裝置上安裝了環(huán)境參數(shù)測量儀器、照相攝相儀器、掃描聲吶、地球物理儀器（地磁儀，輪廓儀，重力儀）。該裝置的結構采用了模塊技術，可以很容易根據(jù)合同的要求來改進該裝置。

該裝置比船具有很大的機動性，運動參數(shù)穩(wěn)定的高精確度（包括在復雜海底地貌條件下），操作簡單，效率高，與深度無關。這些試驗樣機完成了多次實際工作任務，結果表明，在探測海底礦床、監(jiān)測環(huán)境污染、尋找和偵察核潛艇都有很大的優(yōu)勢。

該裝置的主要應用領域包括：海洋研究和水環(huán)境監(jiān)測；海洋地質勘探；水下工程設施和管道檢查；環(huán)境保護和水產養(yǎng)殖等。

2 太平洋海洋學研究所[2]

該所位于海參崴，成立于1973年，現(xiàn)有646人。其中，科研人員291人，包括院士1人，通訊院士1人，博士30人，副博士123人。

2.1 主要研究領域

對海洋水體及其物理場（聲場、光場、電磁場、溫度場），某些特點（海波、洋流、渦流、內浪、冰蓋），質能交換，海洋、大氣和海洋生態(tài)系統(tǒng)狀況相互影響等進行流體物理學、水化學和水生物學的綜合研究；

太平洋及其礦產資源的地質、地球物理、地質化學的研究；

研制新方法并建立研究海洋和大氣的技術設備，開發(fā)和應用遙控方法，建立海洋學數(shù)據(jù)庫并進行分析。

2.2 組織結構及研究方向

該所有9個部，2個海上實驗站。

普通海洋學部（物理海洋學實驗室，水文過程與氣候實驗室，古海洋學實驗室，核海洋學實驗室，信息學和海洋監(jiān)測實驗室，冰間研究實驗室，水文測量組）；

海洋聲學部（陸圈物理學實驗室，統(tǒng)計水文聲學實驗室，聲海洋學實驗室，海洋聲學探測實驗室）；

海洋和大氣物理學部（非線性動態(tài)體系實驗室，水文物理實驗室，地質物理流體動力實驗室）；

生物化學技術部（生物物理實驗室，生物化學實驗室）；

地質化學和海洋生態(tài)學部（海洋生態(tài)毒理學實驗室，北極研究實驗室，污染研究與生態(tài)實驗室，水文化學實驗室，物理化學分析實驗室）；

海洋研究技術設備部（海洋技術實驗室，聲學層析攝影實驗室，聲學噪音實驗室，試驗系統(tǒng)研制組，試驗系統(tǒng)設計組）；

地質和地球物理部（地質物理場實驗室，地震研究實驗室，區(qū)域地質學和構造物理學實驗室，地質形態(tài)實驗室，氣體地質化學實驗室，海洋礦石構成實驗室）；

信息技術部（海洋信息綜合分析實驗室，科技信息實驗室，電子通訊組）；

衛(wèi)星海洋學部（衛(wèi)星海洋學實驗室，海洋大氣相互作用研究實驗室，激光光學和光譜學實驗室）。

該所的海洋聲學部、海洋研究技術設備部，與水下技術設備研制密切相關，水下聲吶系統(tǒng)是這兩個部門的強項。如“遠距離作用范圍水下機器人的導航與遙控水聲系統(tǒng)”（圖1），可以實現(xiàn)對500公里以外活動范圍的水下機器人發(fā)送遙控信號。

圖1 Fig.1

3 自動化及控制過程研究所[3]

該所位于海參崴，成立于1971年，現(xiàn)有306名工作人員。其中，科研人員124名，院士1名，通訊院士3名，博士22名，副博士64名。

3.1 主要研究領域

連續(xù)介質力學的數(shù)學問題及控制過程；

信息技術軟件的理論和應用問題，包括多處理器計算系統(tǒng)的并行計算；

基于硅的亞單層微結構物理學?；诔哒婵占夹g的新型半導體儀器及材料的研制。

3.2 組織結構及研究成果

該所有5個部，7個獨立實驗室。其中，機器人技術系統(tǒng)獨立實驗室是該所專門從事水下技術設備的部門，有7名工作人員，包括，博士3人，副博士3人。

機器人技術系統(tǒng)獨立實驗室的主要研究方向有兩個，即，控制未知和（或）變化參數(shù)的非線性復雜多回路動態(tài)目標系統(tǒng)，研究其適應性和自調節(jié)的合成新方法；多環(huán)節(jié)機械手和自動水下設備控制系統(tǒng)的研究，以便在未知及變化的環(huán)境中和在各種不同程度運動之間相互作用的條件下，快速準確地沿著復雜的空間軌道進行移動。

例如，2006年，該獨立實驗室研制了控制自動水下機器人主發(fā)動機方向的設備和系統(tǒng)（圖2），具有噪音小、運動能量消耗小和移動速度快等特點。

圖2 Fig 2

4 海洋研究自動化設備專業(yè)設計局[4]

該局位于南薩哈林斯克，成立于1978年，現(xiàn)有56名工作人員。其中，科研人員20名，博士2名，副博士4名。

4.1 主要研究領域

海洋學領域的基礎和應用研究；水聲學、水文物理學、流體力學過程的研究；大氣、海洋、海上危險現(xiàn)象以及航行安全等相互關系的研究；

海洋科學儀器制造，以完成海上特別危險現(xiàn)象的研究任務和解決國民經濟和國防問題。

4.2 組織結構及研究方向

該局設有計算流體力學和海洋學實驗室，流體物理學實驗室，太平洋研究技術設備研制部，試驗生產基地，莫斯科代表處（深水結構的自動化設計組、通訊系統(tǒng)組、水聲測量系統(tǒng)實驗室），圣彼得堡代表處（水聲監(jiān)測理論和應用問題實驗室）等。

該局可從事綜合性探索研究和試驗設計工作，包括制造和試驗專業(yè)海洋設備新型樣機，海洋大氣狀況遙測信息搜集自動化系統(tǒng)的樣機等，包括：

建立海洋信息計算系統(tǒng)，解決海洋區(qū)域監(jiān)測和監(jiān)控任務；

危險海上現(xiàn)象的自動化觀測系統(tǒng)；

流體力學的三維張量計算試驗數(shù)學；

在俄羅斯遠東海域的風暴航海性能的研究；

海洋科學儀器制造領域的試驗設計工作；

在固定的海上試驗場上對水文物理和水文聲學場進行研究。

4.3 主要研究成果

2006年，該所主要完成了以下研究試驗工作并準備實際應用。

自動水聲站。首次建立了裝有多部件數(shù)字水聲天線的自動水聲站。該天線由240個接收部件組成，每個部件都進行由聲信號向數(shù)字電信號的轉換。利用可保證初始信號最小失真的網絡技術進行數(shù)字信息的傳遞和存儲。

深水自動海底地震站。研制了5臺深水纜索地震站，采用波折射方法研究海底。數(shù)字記錄儀可將信息記錄在存儲SD圖上。地震站放置深度3千米，結構小、耗能少、可靠性高，現(xiàn)代化微型處理器。地震站所采用的器件不貴，這就可在海底地震研究方面得到廣泛應用，進行批量生產。

小型自動流體物理船（圖3）。建立了遙控自動流體物理船的試驗樣機，排水量20公斤，可以攜帶記錄航行能力、擺動量、海深和海面水溫的測量儀器，保證連續(xù)傳送遙測數(shù)據(jù)到岸上或船上的無線電通訊數(shù)字通道控制站。

通過上面的介紹可以看出，俄羅斯科學院遠東分院在水下研究和機器人技術領域擁有相當?shù)膶嵙Γ淮笈鷮＜以谶@里從事基礎研究和應用研究并取得了許多科研成果。據(jù)悉，該分院在海洋領域的科研工作量占其總科研工作量的9%，僅次與生物領域和地質領域，居第三位，可見其重要性。

圖3 Fig.3

海洋資源是具有戰(zhàn)略意義的新興開發(fā)領域，而水下機器設備作為海洋資源勘探開發(fā)的重要手段越來越引起世界各國的重視。2002年，俄羅斯總統(tǒng)普京在訪問海參崴時參觀了俄羅斯科學院遠東分院海洋技術問題研究所的無人水下自動設備。2003年，俄羅斯政府海洋委員會通過了關于在海參崴建立“水下機器人設計、制造和認證中心”的決定，項目投資7.5億盧布（當時相當3000萬美元），均從國家預算撥款。經過設計和論證，該項目已經開工建設，預計2011年投入使用。據(jù)俄羅斯科學院遠東分院的資料顯示，該中心實際上是“聯(lián)邦水下機器人技術中心”。而聯(lián)邦級的技術中心設在遠東地區(qū)是不多見的，這再次證明了俄羅斯科學院遠東分院在整個俄羅斯水下機器人技術領域擁有國家級的實力和水平。

［1］INSTITUTE OF MARINE TECHNOLOGY PROBLEMS.Underwater Robotics［C］.Report on the scientific and organizational activities of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007:24～30.

［2］PACIFIC OCEANOLOGICAL INSTITUTE.Sonar Navigation System and Remote Control for Underwater Robots Long-Range［C］.Report on thescientific and organizational activities of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007:122～135.

［3］INSTITUTE OF AUTOMATION AND CONTROL PROCESSES.Control Mechanism of Spatial Orientation of High-Speed Propulsion and Highly Maneuverable Autonomous Underwater Robo［C］t.Report on thescientific and organizational activitiesof the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007，8～16.

［4］SPECIAL DESIGN BUREAU FOR AUTOMATION OF MARINE RESEARCH.Small Self-Contained Module Hydrophysica［C］l.Report on thescientific and organizational activities of the Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciencesin 2006,2007，136～139.