智能水下機器人技術研究現(xiàn)狀與未來展望

于洋

（山東省青島第二中學，山東青島，266100）

0 引言

地球上海洋的總面積約為3.6億平方公里，約占地球總表面積的71%，海洋中蘊含著豐富的資源。隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展和陸地資源逐漸匱乏，海洋的價值也越來越被人類重視，海洋開發(fā)成為了當今各國發(fā)展的重要途經(jīng)。近幾年我國各項海洋技術都得到了大幅度的發(fā)展，水下機器人是海洋開發(fā)技術的重要技術之一。水下機器人可在被嚴重污染環(huán)境、危險程度高的環(huán)境以及可見度為零的水域代替人工在水下長時間作業(yè)，具有良好的工作能力。同時，水下機器人在石油開發(fā)、科學研究、海底地貌勘察、水下實施檢查和軍事等領域也得到了廣泛應用。

1 水下機器人的定義和分類

水下機器人也稱作無人水下潛水器，它可以在水下代替人類完成某些復雜任務。水下機器人的分類方式有很多種，通?？梢苑譃檩d人水下機器人(HOV)，遙控機器人(ROV)和智能水下機器人(AUV)三類，見表1。

表1 水下機器人的分類

2 國內(nèi)外水下機器人研究現(xiàn)狀

2.1 載人水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀

載人水下機器人包括蛟龍?zhí)柡蜕詈Ｓ率刻柕?。蛟龍?zhí)栞d人潛水器是中國自行設計、自主集成研制的第一臺作業(yè)型深海載人潛水器，在2012年6月，蛟龍?zhí)杽?chuàng)造了下潛7062米的中國深潛載人記錄。深海勇士號載人潛水器是中國第二臺深海載人潛水器，它可以下潛到水下4500米處進行作業(yè)。

2.2 遙控機器人發(fā)展現(xiàn)狀

遙控機器人包括海馬號、海星6000等。海馬號是我國自主研制的首臺4500米級深海遙控無人潛水器作業(yè)系統(tǒng)，最大下潛深度達到4502米，并完成了海底地震儀海底布放、水下布纜等多項任務。海星6000是我國首臺自主研制成功的6000米級有纜遙控水下機器人裝備，由中科院沈陽自動化研究所聯(lián)合中科院海洋所等單位共同研制，最大下潛深度6001米，為我國ROV最大下潛深度。

2.3 智能水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀

智能水下機器人包括包括AUV以及水下滑翔機（UG）等，潛龍一號是由中科院沈陽自動化所聯(lián)合中科院聲學所、哈工程大學研制的AUV，深入水下6000米，可以在水下工作中完成了探測海底地形地貌等一系列任務。潛龍二號是以中科院沈陽自動化作為技術總體單位，與多個研究所共同研制的水下機器人，可以用于多金屬硫化物等深海礦產(chǎn)資源的勘探作業(yè)?！昂Ｑ?II”是由天津大學研發(fā)的一款水下滑翔機，針對于工作深度、航行速度等方面實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展?！昂Ｒ怼鄙詈G是中國科學院沈陽自動化研究所在2017年研制出的一款7000米級水下機器人。天津大學研制的“海燕-10000”以8213 米的深度創(chuàng)造深海UG的世界紀錄。

2.4 國外研究情況

國外一些國家對AUV的研制開始較早，有較長的發(fā)展歷史，在近代的海上工作中發(fā)揮了巨大作用。主要AUV包括：REMUS 6000（挪威Kongsberg公司）、Blue fi n21（美國Hydroid公司）、Autosub 6000（英國南安普頓國家海洋中心）、SeaBed AUV（美國伍茲霍爾研究所）等[1]。

3 水下機器人關鍵技術研究概述

3.1 智能控制技術

3.1.1 智能控制

智能控制是一個由人工智能、自動控制和運籌學的交叉構成的交叉學科。近年來，智能控制技術成為水下機器人發(fā)展的一個重要技術。水下機器人難于控制的原因有幾個方面，水下機器人在運行中收到海流等外界極不穩(wěn)定環(huán)境因素的干擾，使其控制變得更加困難；水下機器人各項參數(shù)的高度的非線性的特點；水下機器人的水動力性能在不同的海洋環(huán)境下會改變較明顯；海底水下機器人水動力系數(shù)難以測量，不能獲得一個較為準確的數(shù)據(jù)；水下機器人體積大、質量大，因此所受慣性大，運動變化難以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)；水下機器人在運動過程中重心和浮心易改變會引起控制較為困難等。智能控制如果能用在水下機器人，可以更好的使其適應復雜的海洋環(huán)境。

3.1.2 智能控制的發(fā)展概況

智能控制技術應用于60年代，形成于70年代，應用實踐于80年代，快速發(fā)展于90年代。

3.1.3 智能控制系統(tǒng)的類型

（1）專家（仿人）控制系統(tǒng)：由工程控制論和專家系統(tǒng)結合而成，總結人的控制經(jīng)驗、方法和各種人類自主進行的推理技巧，進而實現(xiàn)控制的一種經(jīng)驗控制系統(tǒng)。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)：將一些變化信號經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)的評價函數(shù)映射為控制信號對系統(tǒng)進行控制。

（3）模糊控制系統(tǒng)：應用于無法建立數(shù)學模型或者難以建立數(shù)學模型的情況之下。

（4）分級集成智能控制系統(tǒng)：運用多個層次的系統(tǒng)結構來實現(xiàn)控制，或運用多種控制方法類型結合在一起構成的智能控制系統(tǒng)[2]。

3.1.4 智能控制的主要功能特點

水下機器人智能控制的主要功能特點有自適應功能、學習功能、組織功能、魯棒性、容錯性、實時性等。自適應功能、學習功能、組織功能是水下機器人智能控制的核心技術，魯棒性、容錯性、實時性是水下機器人智能控制的基礎和保證。

3.1.5 智能控制的應用對象

（1）更加復雜的任務要求

引入智能控制技術解決傳統(tǒng)的控制技術難以精準控制的復雜任務。

（2）非線性的模型

引入智能控制系統(tǒng)，對非線性模型的處理上實現(xiàn)進一步的研究及處理。

（3）掌控自適應能力的模型

引入智能控制技術提高水下機器人的自適應能力和自我決策能力，機器人能夠較好地處理特殊情況，使控制更加自如有效[2]。

3.2 導航通信技術

3.2.1 導航通信

由于噪聲、洋流等多種環(huán)境因素對導航過程的影響，水下機器人的實際運行路線與規(guī)劃路線會有較大的偏差，通過對導航通信技術的研究，可以在提高導航精度、提高機器人完成任務的能力等方面實現(xiàn)突破。

3.2.2 導航技術分類

（1）航位推算：通過記錄機器人自身的運動方式和運動時間，大致推算機器人的航行位置。但由于不同洋流等不確定因素眾多，航位推算的準確率較低。

（2）慣性導航：慣性導航系統(tǒng)實質上是一種參數(shù)測量裝置，可以測量加速度、角速度等多種物理量以致于實現(xiàn)輔助導航的功能。

（3）GNSS的定位方法：通過研制水下GPS導航定位系統(tǒng)提高水下航行的精度，該系統(tǒng)的精度極高，位置測量精度可達5厘米[3]。

（3）多普勒聲納導航：應用多普勒效應，通過檢測聲音的傳播差異，推算出距離的差異，從而實現(xiàn)導航，這種導航技術適用的空間范圍大，但是精度較低。

（4）視頻導航：通過進行水下視頻實時傳導實現(xiàn)導航，精度較高，但在長距離導航時運用的能力較差。

（5）組合式導航：多種導航技術相結合。例如：在距離目標距離較遠時運用聲納導航，雖精度較低，但可以實現(xiàn)快速運行；在距離目標較近時運用視頻導航，實現(xiàn)高精度的準確導航。

3.2.3 通信技術

通信技術就是通過某些技術的支持實現(xiàn)良好的信息傳遞，主要的方式有水聲通信、電纜通信、藍綠光通信以及龐大的通信系統(tǒng)構成的通信網(wǎng)絡等。

在陸地上主要運用的通信方式是電磁波通信，但是在海洋中，電磁波難以長距離傳播，因此水聲通信成為水下較好的通信方式。它的工作原理是通過數(shù)字化處理技術將聲音、圖像、文字等信息轉變?yōu)殡娦盘?，利用信號轉化裝置將電信號轉化為聲信號，發(fā)射端以水為媒介將聲信號傳遞出去，接收端接收到信號后，再將聲信號轉變?yōu)殡娦盘?，進而轉化為聲音、文字、圖像等信息[4]。此外，電纜通信也是一種運用較多的通信技術，主要運用于ROV上，具有傳播信息量多、傳播信息穩(wěn)定性高等特點，但由于電纜的限制，導致這種通訊方式控制的機器人活動能力受限，不能大范圍運動。隨著科技的發(fā)展，藍綠光通信成為了當前的主要發(fā)展方向，藍綠光通信具有傳播速度快、抗衰減能力強等諸多優(yōu)勢，有望在水下機器人的通信中實現(xiàn)新突破。

3.3 組網(wǎng)編隊技術

為了更好的實現(xiàn)導航通信技術，組網(wǎng)編隊技術顯得尤為重要，建立水下機器人組網(wǎng)編隊通信系統(tǒng)結構有諸多優(yōu)勢。組網(wǎng)編隊可以給予水下機器人個體之間的信息交流傳遞、協(xié)調配合一定的支持，同時使信息可以在機器人內(nèi)部不同功能模塊之間流通，從而實現(xiàn)了從單一個體到集群組網(wǎng)工作的突破。相關的領域主要有：協(xié)助觀測、任務分配、立體綜合觀測網(wǎng)等[5]。

4 水下機器人未來發(fā)展趨勢和展望

4.1 智能化

使水下機器人更加智能化。更好的運用智能控制系統(tǒng)于水下機器人之中，提高水下機器人自適應、自學習、自判斷能力，使水下機器人在遇到不同狀況時可以作出準確且恰當?shù)臎Q定，能夠最大限度地適應外部環(huán)境。同時實現(xiàn)水下機器人的導航定位準確化。研制出更加精確的水下環(huán)境感應系統(tǒng)，從而更加準確的判斷環(huán)境對航行路線的影響，實現(xiàn)航行定位的更加準確化。

4.2 工作集群化

從個體機器人作業(yè)向機器人組網(wǎng)編隊集群作業(yè)轉化，建立水下作業(yè)網(wǎng)，以更好的進行水下任務和海底探測。

4.3 通訊穩(wěn)定化

由于水聲通信、有纜通訊等的局限性，在未來藍綠光通信將會成為研究的一個重要方向，其具有抗衰減性強、穩(wěn)定、傳播速度快等諸多優(yōu)點，有利于實現(xiàn)海底通訊的穩(wěn)定化。

5 結束語

目前水下機器人通過對智能控制、導航通信等技術的應用，達到了水下機器人的基本控制效果，各國高度重視各類型水下機器人的組網(wǎng)編隊對海地觀測、軍事目標探測的應用，這也是未來的一個重大發(fā)展方向。