一種用于水質(zhì)勘測的水下機(jī)器人研究

李俊杰

摘要：進(jìn)入經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展21世紀(jì)，資源的緊缺讓人們把目光投入到占全球面積70%海洋上面。本文章先是簡單的介紹了水下機(jī)器人的發(fā)展歷史和現(xiàn)在國內(nèi)外的研究情況，然后本文提出了可用于水質(zhì)勘測的一種新型水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，并且概述本研究所針對(duì)的問題，和設(shè)計(jì)的解決方案，最后分析了水下機(jī)器人未來的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向。

Abstract： In the 21st century， the shortage of resources makes peoplefocus on the ocean that accounts for 70% of the global area. This paper briefly introduces the development history of underwater robot and the research situation at home and abroad. Then， this paper puts forward a new structure form of underwater robot， which can be used for water quality survey. It also summarizes the problems and solutions designed by this research institute. Finally， it analyzes the future development trend and direction of underwater robots.

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);國內(nèi)外發(fā)展;水下機(jī)器人未來發(fā)展

Key words： underwater robot;structural design;domestic and foreign development;future development of underwater robot

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）04-0213-03

0? 引言

現(xiàn)如今，海洋作為能源蘊(yùn)含最豐富的地方，吸引了世界各國的科學(xué)家的注意。而水下機(jī)器人能夠解決人類無法進(jìn)入深水區(qū)和無法探測水下物質(zhì)和能源等問題，成為了許多人特別重視的機(jī)器人。但是，水下機(jī)器人的定點(diǎn)采集微生物和探測水質(zhì)和能源依舊是人們所面臨的困難，因此本文對(duì)此問題進(jìn)行分析和研究。

1? 水下機(jī)器人發(fā)展歷史

在如今社會(huì)，人類面臨著環(huán)境、人口和資源這三大問題。當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)正在飛速的發(fā)展，所以人類對(duì)于資源的需求就越來越大。而對(duì)僅占地球表面積不足百分之三十的陸地來說，資源是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠人類使用的，所以人類就把目光投入到海洋上面了。

海洋面積約為3.6億平方公里，占地球表面積的百分之七十一。在海洋中，有著極其豐富的礦產(chǎn)資源生物資源和化學(xué)資源，其中的石油、煤、銅以及氯鈉等元素都是非常重要并且對(duì)于人類來說是需要的。因此，對(duì)于海洋的探測就顯得尤為的重要，水下機(jī)器人的作用就由此可見了。

從19世紀(jì)開始，人類就開始了對(duì)于海洋的探索，到了20世紀(jì)，水下機(jī)器人經(jīng)歷了誕生、發(fā)展、到成為人類探索海洋的重要手段，受到了人們普遍的關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)，海洋作為世界資源最豐富的地方，受到了各個(gè)國家的爭奪，而作為探測海洋最重要的手段，水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的更加迅速和成熟。

2? 水下機(jī)器人國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國外

從20年代起，國外就對(duì)潛水器的研制就開始了，持續(xù)到60年代，主要是為了向深度發(fā)起挑戰(zhàn)。在1934年，美國研發(fā)的潛水器潛入到了914m的水深，到了1960年，人類第一次下潛到了海洋最深處10913m，即太平洋馬里亞納海溝。

由美國國際潛水器工程公司制造的自主式遙控潛水器[1-3]（ARSC）是專門為在北冰洋冰層下進(jìn)行探測的水下機(jī)器人。該潛水器可以在水深366m的海洋里停留多達(dá)23個(gè)小時(shí)，航行速度9.25公里/小時(shí)，它可以在一個(gè)預(yù)先編好程序的航路上探測5平方公里海底區(qū)域[1]通過利用5個(gè)獨(dú)立的聲吶系統(tǒng)和潛水器內(nèi)的計(jì)算機(jī)。

英國DUPLUS公司1987年研制成了一種新型水下機(jī)器人——DUPLUSⅡ型水下機(jī)器人。它的優(yōu)點(diǎn)是可按有人、無人或有人加遙控等工作方式來使用。DUPLUSⅡ型水下機(jī)器人的作業(yè)深度為750m，在載人時(shí)，因?yàn)樗乱曈X更加直觀，所以在水下觀察、攝影以及水下機(jī)動(dòng)作業(yè)都十分方便[2]。英國HYDROVISION有限公司于90年代開發(fā)研制的最新產(chǎn)品HYBALL水下機(jī)器人，它具有操縱方便、成本低、性能先進(jìn)可靠、保養(yǎng)維修簡單、功能齊全等優(yōu)點(diǎn)。HYBALL水下機(jī)器人完全由水面控制單元內(nèi)的計(jì)算機(jī)控制，操作員可控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、側(cè)推、上升或下潛通過在水面上使用操縱桿[3]。

英國Heriot-Watt大學(xué)電子工程系做了大量卓有成效的工作在無纜水下機(jī)器人方面，1981年完成第一個(gè)水下機(jī)器人ANGUS 003，以后有將其發(fā)展成為ANGUS-ROVER穿梭式系統(tǒng)，是一種自主水下機(jī)器人。此系統(tǒng)還嘗試了應(yīng)用人工智能，包括控制智能單元以及測試智能單元等。

在過去的20年時(shí)間里，在深海技術(shù)方面俄羅斯一直處于領(lǐng)先地位。1987年，前蘇聯(lián)和芬蘭合作一起研發(fā)了兩艘6000m深海載人潛器“MIR1”和“MIR2”，這兩艘深海載人潛艇續(xù)航能力高達(dá)17-20個(gè)小時(shí)，同時(shí)配有先進(jìn)的取樣設(shè)備、機(jī)械手和傳感器。在這十幾年中，在印度洋、大西洋和太平洋等海域進(jìn)行了上百次的科學(xué)考察。近幾年，俄羅斯和法國合作，準(zhǔn)備利用現(xiàn)有的兩艘載人潛器“MIR1”和“MIR2”以及法國制造的6000m載人潛器“NAUTAIL”并帶一個(gè)小型無人潛器（ROV），對(duì)“Titanic”號(hào)沉船進(jìn)行考察，2001年7月份將開始現(xiàn)場考察工作。除此之外，俄羅斯也具有相：當(dāng)?shù)膬?yōu)勢在無人潛器方面，同我國的兩次合作，研制出兩艘6000m自治水下機(jī)器人——“CR01"和“CRO2”[4]。

2.2 國內(nèi)

從70年代起，我國就開始了較大規(guī)模地開展?jié)撍餮兄乒ぷ鳎嗄陙?，先后研制成功以援潛救生為主?103艇（有纜有人）、I型救生鐘（有纜有人）、QSZ單人常壓潛水器（有纜有人）、8A4水下機(jī)器人ROV（有纜無人）和軍民兩用的HR-01ROV，RECONIVROV及CR-01A6000m水下機(jī)器人AUV（無人無纜）等，這使我國的潛水器研制水平達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

從1983年開始，沈陽自動(dòng)化研究所就開始研究“HY-01”型的有纜觀測型水下機(jī)器人。“HY-01”型的有纜觀測型水下機(jī)器人是一種純觀測型水下機(jī)器人，沒有機(jī)械手操作系統(tǒng)，它只能用于水下觀察。隨后研發(fā)出來的“HR-01”和“HY-01”型號(hào)的水下機(jī)器人，已經(jīng)可以完成簡單的水下操作。沈陽自動(dòng)化研究所還與美國Perry公司合作，目前生產(chǎn)的中型潛水器ECON-IVSIA已經(jīng)可以達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。

90年代我國借助俄羅斯的有關(guān)技術(shù)力量設(shè)計(jì)出“CR-01A”6000m無人無纜遙控潛水器AUV，于1995年10月成功在夏威夷附近海域地下潛到了5300m的水深。不僅拍攝到了海底錳結(jié)核礦的分布情況，還獲得了清晰的海底照片、錄像以及聲納淺剖圖，給我國科學(xué)家的研究收集到了大量的珍貴數(shù)據(jù)?！癈R-01A”6000m無人無纜遙控潛水器AUV的下潛成功，使我國能夠?qū)弦酝獾恼际澜绾Ｑ竺娣e的97%的大洋海底進(jìn)行精確、高效、全覆蓋地觀察、測量、儲(chǔ)存和進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)可以幫助我們精確的繪出深海礦區(qū)的二維和三維海底地形地貌圖，還建立了以文件庫、資源庫和環(huán)境庫組成的“大洋礦產(chǎn)資源研究開發(fā)數(shù)據(jù)庫”，大大縮短了我國發(fā)展海洋技術(shù)的時(shí)間，在無人無纜自治水下機(jī)器人領(lǐng)域里，“CR-01A”6000m無人無纜遙控潛水器AUV的下潛成功意味著我國向前跨進(jìn)了一大步，同時(shí)也表明我國成為了除美、法、俄、日等國之外，能研制6000m深潛器的國家之一。

3? 一種新型的水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

本次擬研究的水下機(jī)器人整體外形呈流線型，這樣的好處就是在水中可以減少水的阻力，減小與水的接觸面積，從而可以保持機(jī)器人在水中的穩(wěn)定性，解決了許多水下機(jī)器人在水中遇到水流的推動(dòng)時(shí)無法保持穩(wěn)定甚至?xí)瓭L的現(xiàn)象。

本組設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人共分為五部分。第一部分也就是上半部分內(nèi)部是空的，上面設(shè)置了可控制的閥門口，這樣就可以通過控制閥門的打開關(guān)閉從而機(jī)器人的灌水和排水來控制其上升和下潛。最下面的部分即第五部分，采用了和第一部分相同的概念，也是內(nèi)部中空由閥門控制水流的進(jìn)出。在第一部分和第五部分中，本小組還設(shè)置了兩個(gè)可以存放化學(xué)物品的隔間，這樣就可以控制隔間打開是化學(xué)物品反應(yīng)從而產(chǎn)生氣體將水排出。

第二部分是本組設(shè)計(jì)放置單片機(jī)和一些控制電路的部分，這類精密的儀器都是非常容易受損的，而且在水下一旦機(jī)器人的密封性不好導(dǎo)致水流進(jìn)入這一部分使儀器進(jìn)水，很有可能使整個(gè)水下機(jī)器人報(bào)廢，所以密封性就特別重要。對(duì)于這一部分，本小組經(jīng)過討論決定使用O型密封圈來這部分進(jìn)行密封。從O形密封圈的形狀上看，制作工藝相比較而言是簡單的。首先是設(shè)計(jì)和制模都相對(duì)簡單，起膜容易，裝取方便，它如果壞了我們可以很容易發(fā)現(xiàn)，彈性好，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)受到介質(zhì)的影響后，不容易發(fā)生機(jī)械強(qiáng)度的變化。吸振性好，摩擦因數(shù)小，密封不受動(dòng)力影響，與金屬接觸不相互作用（如黏著，腐蝕等），價(jià)格較為便宜[5]，所以本組經(jīng)討論決定采用O型密封圈進(jìn)行密封。這就解決了許多水下機(jī)器人密封性不好的問題。

第三部分是幾個(gè)水質(zhì)探頭的存放部分，設(shè)計(jì)較大的空間來存放pH探頭、濁度探頭等。

第四部分是本組設(shè)計(jì)了一個(gè)通孔，通孔的兩邊也是通過可控制的閥門來將其打開或關(guān)閉。在這個(gè)通孔里面，本小組放置了一個(gè)圓形被動(dòng)采樣器并通過上下設(shè)計(jì)的凹槽將其固定，這樣當(dāng)機(jī)器人放置于要檢測水中微生物的地點(diǎn)時(shí)，閥門打開，水從通孔中流過，圓形被動(dòng)采樣器就將水中微生物采集成功。這樣就不用水下機(jī)器人自主采樣了。在通孔的上方，斜著插入的四個(gè)水質(zhì)檢測裝置的探頭在這里伸出，四個(gè)檢測探頭分別為：水質(zhì)溶氧探頭、電導(dǎo)率探頭、濁度探頭和pH探頭。將這四個(gè)探頭斜者插入通孔上方，就可以在機(jī)器人放入指定位置打開閥門通過水流時(shí)，檢測出被測地點(diǎn)的水質(zhì)情況。斜著插入是為了減小水下機(jī)器人的整體高度，因?yàn)閹讉€(gè)探頭的長度都不小，如果是豎直放置或者水平放置，都會(huì)使機(jī)器人過長或過高，所以經(jīng)討論本組決定傾斜放置探頭。

普通的水下機(jī)器人一般采用螺旋槳產(chǎn)生主推進(jìn)力，通過舵面來控制自身的姿態(tài)，這種推動(dòng)方式雖說也比較的方便和實(shí)用，但是也存在著一些問題。例如，這種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式和姿態(tài)調(diào)控途徑很難使水下機(jī)器人在低速、大攻角機(jī)動(dòng)航行時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，且螺旋槳工作時(shí)的噪音還會(huì)在一定程度上降低水下機(jī)器人航行時(shí)的隱蔽性[6]。所以本組經(jīng)商量后決定采用一種新型的噴水推進(jìn)的方式。噴水推進(jìn)是一種特殊的推進(jìn)方式，它是通過利用噴水推進(jìn)裝置中噴水泵噴出的高速水流從而產(chǎn)生反作用力來推動(dòng)水中載體的運(yùn)動(dòng)，并通過操舵導(dǎo)航機(jī)構(gòu)或者直接改變噴口方向從而改變產(chǎn)生反作用力的方向來實(shí)現(xiàn)控制水中載體的運(yùn)動(dòng)方向，所以與螺旋槳推動(dòng)相比，噴水推進(jìn)具有推進(jìn)和操縱的雙重功能[7]。

這款水下機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是體積小，方便人們將其帶到指定河流處;節(jié)省能源，本組設(shè)計(jì)的多個(gè)可控制的閥門，通過控制水流的進(jìn)出以達(dá)到使機(jī)器人上升或者下潛，減少推動(dòng)裝置消耗的能源;可以定點(diǎn)放置，可以通過控制其上升下潛以及前后左右的移動(dòng)從而達(dá)到定點(diǎn)檢測;檢測水質(zhì)并采樣，被動(dòng)采樣器和四個(gè)水質(zhì)監(jiān)測的探頭方便人們采集水中微生物和檢測水質(zhì)。移動(dòng)更加靈活，采用噴水推進(jìn)的方式使得機(jī)器人的移動(dòng)更加靈活和便于操控。

4? 水下機(jī)器人的未來發(fā)展

未來水下機(jī)器人主要會(huì)向更深和更智能兩個(gè)方面發(fā)展。

向深度的探索一直是水下機(jī)器人的很重要一方面，海洋深處有著許多人類需要的資源，也有著人類目前還沒有發(fā)現(xiàn)的資源，所以向海洋深處的探索是未來水下機(jī)器人發(fā)展很重要的一個(gè)方面。

目前大部分水下機(jī)器人只能用于觀測和測量，沒有較強(qiáng)的工作能力和較高的智能水平。未來水下機(jī)器人將更多地依賴傳感器和人工智能，這樣水下機(jī)器人就可以根據(jù)內(nèi)部信息和環(huán)境信息自主作業(yè)，而且是十分穩(wěn)定的。未來水下機(jī)器人可以代替人類擔(dān)負(fù)起自動(dòng)或半自動(dòng)的決策任務(wù)在深水的環(huán)境里，它的作用是未來開發(fā)和探測海洋所無法忽視的。

現(xiàn)在，水下機(jī)器人仍需攻克的幾個(gè)重要問題，其中包括復(fù)雜海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的穩(wěn)定高精度控制，水下機(jī)器人的密封性問題、移動(dòng)不便于控制問題以及無法自主采樣等問題。

除此之外，水下機(jī)器人仍然有一些關(guān)鍵的技術(shù)問題等待著人們?nèi)ソ鉀Q。未來，水下機(jī)器人的發(fā)展方向一定是遠(yuǎn)程化和智能化。它未來的活動(dòng)范圍將在250到5000公里的半徑內(nèi)，這就需要有足夠的動(dòng)力源去保障水下機(jī)器人的正常工作。在控制和處理系統(tǒng)中，采用圖像識(shí)別、人工智能技術(shù)、大容量的知識(shí)庫系統(tǒng)，以及提高信息處理能力和精密導(dǎo)航定位的隨感能力等。當(dāng)這些問題都被人類解決了，那么水下機(jī)器人對(duì)人類所產(chǎn)生的作用絕對(duì)是無法想象的[8]。

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