水下機器人發(fā)展趨勢

1、關(guān)鍵詞： 水下機器人、智能水下機器人、智能體系、運動控制、通訊導(dǎo) 航、探測識別、高效能源隨著人類海洋開發(fā)的步伐不斷加快， 水下機器人技術(shù)作為人類探索 海洋最重要的手段得到了空前的重視和發(fā)展。 作者對水下機器人進行了 定義與分類。介紹了近年來國內(nèi)外水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢， 重點針對智能水下機器人的主要關(guān)鍵技術(shù)及未來發(fā)展方向進行了分析。 地球的表面積為5. 1億km2而海洋的面積為3. 6億km2占地球表 面積 71的海洋是人類賴以生存和發(fā)展的四大戰(zhàn)略空間陸、 海、空、 天中繼陸地之后的第二大空間，是能源、生物資源和金屬資源的戰(zhàn)略性 開發(fā)基地，不但是目前最現(xiàn)實的，而且是最具發(fā)展?jié)摿Φ目臻g。

2、作為藍(lán) 色國土的海洋密切關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，進入 21 世紀(jì)后，人類更 加強烈的感受到陸地資源日趨緊張的壓力， 這是人類面臨的最現(xiàn)實的問 題。海洋即將成為人類可持續(xù)發(fā)展的重要基地，是人類未來的希望。水 下機器人從 20 世紀(jì)后半葉誕生起，就伴隨著人類認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋 和保護海洋的進程不斷發(fā)展。 專為在普通潛水技術(shù)較難到達(dá)的區(qū)域和深 度執(zhí)行各種任務(wù)而生的水下機器人，將使海洋開發(fā)進人一個全新的時 代，在人類爭相向海洋進軍的 21 世紀(jì)，水下機器人技術(shù)作為人類探索 海洋最重要的手段必將得到空前的重視和發(fā)展 1 。1 海洋對人類的重要性海洋作為藍(lán)色國土，首先是一個沿海國家的“門戶” ，是其與遠(yuǎn)方

3、 聯(lián)系的便捷途徑，并且“門戶”的安全是國家安全的重要組成部分，早 在 2 500 多年前古希臘海洋學(xué)家鍬未斯托克就提出過“誰控制了海洋， 誰就控制了一切”。很久以來人們就依賴于海洋航道進行大量的物品貿(mào) 易，現(xiàn)在整個世界大部分的貨物運輸都依賴于海上運輸，海洋運輸是整 個經(jīng)濟正常運轉(zhuǎn)必要的一環(huán)。更重要的是，現(xiàn)在很多國家的石油、礦石 等最基本的生產(chǎn)資料大部分都依賴于海洋運輸， 海洋運輸?shù)陌踩蛯?洋的控制力成為一個國家生存的基本保障。近年來再次掀起海洋熱的浪潮是因為陸上的資源有限， 很多資源已 經(jīng)開發(fā)殆盡，而海洋中蘊藏著豐富的能源、礦產(chǎn)資源、生物資源和金屬 資源等，人們急需開發(fā)這些資源以接替所剩不

4、多的陸上資源來維持發(fā) 展。更為重要的是，地球上半數(shù)以上面積的海洋是國際海域，這些區(qū)域 內(nèi)全部的資源屬于全體人類，不屬于任何國家。但目前的現(xiàn)狀是只有少 數(shù)國家有能力對這些資源進行初步開采， 這些國家在其已探明的區(qū)域擁 有優(yōu)先開采權(quán)， 相對于那些沒有能力開采的國家這幾乎就等于獨享這部 分資源。因此海洋已經(jīng)成為國際戰(zhàn)略競爭的焦點，爭奪國際海洋資源是 一項造福子孫后代的偉大事業(yè)。 所以水下技術(shù)成為目前重點研究的高新 技術(shù)之一， 智能水下機器人作為高效率的水下工作平臺在海洋開發(fā)與利 用中起到至關(guān)重要的作用。2水下機器人的定義與分類2 1 水下機器人的定義與概述 水下機器人也稱作無入水下潛水器 (unma

5、nned un derwater vehicles ， UUV，) 它并不是一個人們通常想象的具有類人形狀的機器，而是一種可 以在水下代替人完成某種任務(wù)的裝置。在外形上更像一艘微小型潛艇， 水下機器人的自身形態(tài)是依據(jù)水下工作要求來設(shè)計的。 生活在陸地上的 人類經(jīng)過自然進化，諸多的自身形態(tài)特點是為了滿足陸地運動、感知和 作業(yè)要求，所以大多數(shù)陸地機器人在外觀上都有類人化趨勢，這是符合 仿生學(xué)原理的。水下環(huán)境是屬于魚類的“天下” ，人類身體的形態(tài)特點 與魚類相比則完全處于劣勢， 所以水下運載體的仿生大多體現(xiàn)在對魚類 的仿生上。目前水下機器人大部分是框架式和類似于潛艇的回轉(zhuǎn)細(xì)長 體，隨著仿生技術(shù)的不斷

6、發(fā)展，仿魚類形態(tài)甚至是運動方式的水下機器 人將會不斷發(fā)展。 水下機器人工作在充滿未知和挑戰(zhàn)的海洋環(huán)境中， 風(fēng)、 浪、流、深水壓力等各種復(fù)雜的海洋環(huán)境對水下機器人的運動和控制干 擾嚴(yán)重，使得水下機器人的通信和導(dǎo)航定位十分困難，這是與陸地機器 人最大的不同，也是目前阻礙水下機器人發(fā)展的主要因素 2| 。 22 水下機器人的分類水下潛水器根據(jù)是否載人分為載人潛水器和無人潛水器兩類。 載人 潛水器由人工輸入信號操控各種機動與動作， 由潛水員和科學(xué)家通過觀 察窗直接觀察外部環(huán)境，其優(yōu)點是由人工親自做出各種核心決策，便于 處理各種復(fù)雜問題，但是人生命安全的危險性增大。由于載人需要足夠的耐壓空間、可靠的生命

7、安全保障和生命維持系統(tǒng)，這將為潛水器帶來 體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、造價高昂、工作環(huán)境受限等不利因素。無人水下 潛水器就是人們常說的水下機器人，由于沒有載人的限制，它更適合長 時間、大范圍和大深度的水下作業(yè)。無人潛水器按照與水面支持系統(tǒng)間 聯(lián)系方式的不同可以分為下面兩類。 (1) 有纜水下機器人，或者稱作遙 控水下機器人(remotely operated vehicle ，簡稱ROV) ROV需要由電 纜從母船接受動力，并且ROV不是完全自主的，它需要人為的干預(yù)，人 們通過電纜對ROV進行遙控操作，電纜對RoV像“臍帶”對于胎兒一樣 至關(guān)重要，但是由于細(xì)長的電纜懸在海中成為RoV最脆弱的部分，大大

8、限制了機器人的活動范圍和工作效率。 (2) 無纜水下機器人，常稱作自 治水下機器人或智能水下機器人 (autonomous underwater vehicle ，簡 稱AUV), AUV自身擁有動力能源和智能控制系統(tǒng)，它能夠依靠自身的智 能控制系統(tǒng)進行決策與控制，完成人們賦予的工作使命。AUV是新一代的水下機器人,由于其在經(jīng)濟和軍事應(yīng)用上的遠(yuǎn)大前景,許多國家已經(jīng) 把智能水下機器人的研發(fā)提上日程。有纜水下機器人都是遙控式的,根 據(jù)運動方式不同可分為拖曳式、 ( 海底) 移動式和浮游 ( 自航) 式三種。無 纜水下機器人都是自治式的, 它能夠依靠本身的自主決策和控制能力高 效率地完成預(yù)定任務(wù),擁

9、有廣闊的應(yīng)用前景,在一定程度上代表了目前 水下機器人的發(fā)展趨勢。23自治水下機器人自治水下機器人， 又稱智能水下機器人， 是將人工智能、 探測識別、 信息融合、智能控制、系統(tǒng)集成等多方面的技術(shù)集中應(yīng)用于同一水下載 體上，在沒有人工實時控制的情況下，自主決策、控制完成復(fù)雜海洋環(huán) 境中的預(yù)定任務(wù)使命的機器人。 俄羅斯科學(xué)家B. C.亞斯特列鮑夫等人 所著的水下機器人中指出第 3 代智能水下機器人是一種具有高度人 工智能的系統(tǒng)，其特點是具有高度的學(xué)習(xí)能力和自主能力，能夠?qū)W習(xí)并 自主適應(yīng)外界環(huán)境變化。執(zhí)行任務(wù)過程中不需要人工干預(yù)，設(shè)定任務(wù)使 命給機器人后，由其自主決定行為方式和路徑規(guī)劃，軍事領(lǐng)域中各種

10、戰(zhàn) 術(shù)甚至戰(zhàn)略任務(wù)都依靠其自主決策來完成。 智能水下機器人能夠高效率 地執(zhí)行各種戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，擁有廣泛的應(yīng)用空間，代表了水下機器人技 術(shù)的發(fā)展方向 L3|。3國內(nèi)外AUV勺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢3. 1國內(nèi)外AUV勺發(fā)展現(xiàn)狀智能水下機器人(AuV)是無人水下機器人(UUV)的一種。無人水下航 行器技術(shù)無論在軍事上、 還是民用方面都已不是新事物， 其研制始于 20 世紀(jì) 50 年代，早期民用方面主要用于水文調(diào)查、海上石油與天然氣的 開發(fā)等，軍用方面主要用于打撈試驗丟失的海底武器 (如魚雷) ，后來在 水雷戰(zhàn)中作為滅雷具得到了較大的發(fā)展。20世紀(jì) 80年代末，隨著計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、 微電子技術(shù)、

11、小型導(dǎo)航設(shè)備、 指揮與控制硬件、 邏輯與軟件技術(shù)的突飛猛進，自主式水下航行器得到了大力發(fā)展。由于AUV罷脫了系纜的牽絆，在水下作戰(zhàn)和作業(yè)方面更加靈活，該技術(shù)日益 受到發(fā)達(dá)國家軍事海洋技術(shù)部門的重視。在過去的十幾年中， 水下技術(shù)較發(fā)達(dá)的國家像美國、 日本、俄羅斯、 英國、法國、德國、加拿大、瑞典、意大利、挪威、冰島、葡萄牙、丹 麥、韓國、澳大利亞等建造了數(shù)百個智能水下機器人，雖然大部分為試 驗用，但隨著技術(shù)的進步和需求的不斷增強，用于海洋開發(fā)和軍事作戰(zhàn) 的智能水下機器人不斷問世。 由于智能水下機器人具有在軍事領(lǐng)域大大 提升作戰(zhàn)效率的優(yōu)越性， 各國都十分重視軍事用途智能水下機器人的研 發(fā)，著名的研

12、究機構(gòu)有：美國麻省理工學(xué)院MIT Sea Grant ' S AUV實驗室、美國海軍研究生院 (Naval Postgraduate Sch001) 智能水下運載 器研究中心、美國伍慈侯海洋學(xué)院 (Woods Hole oceanographic Institute) 、美國佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)高級海洋系統(tǒng)實驗室 (Advanced Marine Systems La boratory) 、美國緬因州大學(xué)海洋系統(tǒng)工程實驗室 (Marine Systems Underwater Systems Institute) 、美國夏威夷大學(xué) 自動化系統(tǒng)實驗室 (Autonomous Systems

13、 Laboratory) 、日本東京大學(xué) 機器人應(yīng)用實驗室 (Underwater Robotics ApplicationLaboratory(URA) 、英國海事技術(shù)中心 (Marine Technology Center) 等。 美國海軍研究生院AUVARIES(圖1。見封二)，主要用于研究智能控制、 規(guī)劃與導(dǎo)航、目標(biāo)探測與識別等技術(shù)。圖 2(見封二)是美國麻省理工學(xué) 院的水下機器人Odyssey II，它長2. 15 m,直徑為0. 59 m,用于兩個特殊的科學(xué)使命：在海冰下標(biāo)圖，以理解北冰洋下的海冰機制； 檢測中部大洋山脊處的火山噴發(fā)。 美國的ABE圖3,見封二）最大潛深6 000

14、m,最大速度2節(jié)（編者注：1節(jié)=1海里/時=1. 852 km/ h），巡航 速度1節(jié)，考察距離30 km,考察時間50 h，能夠在沒有支持母船 的情況下,較長時間地執(zhí)行海底科學(xué)考察任務(wù),它是對載人潛水器和無 人遙控潛水器的補充,以構(gòu)成科學(xué)的深?？疾炀C合體系,為載人潛水器 提供考察目的地的詳細(xì)信息。日本研制的 R2D4水下機器人（圖4,見封 二）長 4. 4 m 寬 1. 08 m 高 0. 81m 重 1 506 kg,最大潛深 4 000 m 主要用于深海及熱帶海區(qū)礦藏的探察。能自主地收集數(shù)據(jù) 可用于探測 噴涌熱水的海底火山、沉船、海底礦產(chǎn)資源和生物等。 REMuS（remote envi

15、ronmental monitoring units 遠(yuǎn)距離環(huán)境監(jiān)測裝置 ） 是美 Hydroid 公司的系列水下機器人（圖5,見封二）。RE MUS600工作深度為256 000 m,是一個高度模塊化的系統(tǒng)，代表了自主式水下探測器的最高水 平。中國智能水下機器人技術(shù)的研究開始于20 世紀(jì) 80年代中期，主要研究機構(gòu)包括中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學(xué)等。 中國 科學(xué)院沈陽自動化研究所蔣新松院士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計了“海人一號”遙控式水 下機器人試驗樣機。之后“ 863”計劃的自動化領(lǐng)域開展了潛深 1 000 m 的“探索者號”智能水下機器人的論證與研究工作，做出了非常有意義 的探索性研究。 哈

16、爾濱工程大學(xué)的智水系列智能水下機器人已經(jīng)突破智 能決策與控制等多個技術(shù)難關(guān)， 各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都在向工程可應(yīng)用級別靠 攏。圖 6（ 見封二）的哈爾濱工程大學(xué)“智水一 4”智能水下機器人在真 實海洋環(huán)境下實現(xiàn)了自主識別水下目標(biāo)和繪制目標(biāo)圖、 自主規(guī)劃安全航 行路線和模擬自主清除目標(biāo)等多項功能。圖 7（見封二 ）是哈爾濱工程大 學(xué)的綜合探測智能水下機器人。 目前通過各科研機構(gòu)和大專院校的同期 研制工作，智能水下機器人已經(jīng)服役并正在形成系列，特別是中國科學(xué) 院沈陽自動化研究所與俄羅斯合作的 6 000 m潛深的CR一 01（圖8,見 封二）和CR 02系列預(yù)編程控制的水下機器人，已經(jīng)完成了太平洋深 海的

17、考察工作,達(dá)到了實用水平。由于在工業(yè)設(shè)計、制造工藝、綜合控制、目標(biāo)探測、導(dǎo)航地位和通 訊等領(lǐng)域中國同水下技術(shù)發(fā)達(dá)的國家相比還有一定差距, 致使我們的水 下機器人在實際應(yīng)用中還有較大限制。 相關(guān)領(lǐng)域從國外購買或租賃的水 下機器人不但價格高,配套服務(wù)難,而且很多產(chǎn)品并不是專門開發(fā)的, 并不適合中國海域的使用。 所以隨著海洋開發(fā)和軍事用途需求的不斷增 長,開發(fā)更具有實用價值的智能水下機器人勢在必行。32 智能水下機器人的發(fā)展趨勢321 整體設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 為了提升智能水下機器人的性能、使用的方便性和通用性,降低研 制風(fēng)險,節(jié)約研制費用,縮短研制周期,保障批量生產(chǎn),智能水下機器 人整體設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)

18、化與模塊化是未來的發(fā)展方向。 在智能水下機器人研 發(fā)過程中依據(jù)有關(guān)機械、電氣、軟件的標(biāo)準(zhǔn)接口與數(shù)據(jù)格式的要求,分模塊進行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計和建造。 智能水下機器人采用標(biāo)準(zhǔn) 化和模塊化設(shè)計，使其各個系統(tǒng)都有章可依、有法可循，每個系統(tǒng)都能 夠結(jié)合各協(xié)作系統(tǒng)的特性進行專門設(shè)計， 不但可以加強各個系統(tǒng)的融合 程度，提升機器人的整體性能，而且通過模塊化的組合還能輕松實現(xiàn)任 務(wù)的擴展和可重構(gòu)。322 高度智能化由于智能水下機器人工作環(huán)境的復(fù)雜性和未知性，需要不斷改進 和完善現(xiàn)有的智能體系結(jié)構(gòu)，提升對未來的預(yù)測能力，加強系統(tǒng)的自主 學(xué)習(xí)能力，使智能系統(tǒng)更具有前瞻性。目前針對如何提升水下機器人的 智能水

19、平，已經(jīng)對智能體系結(jié)構(gòu)、環(huán)境感知與任務(wù)規(guī)劃等領(lǐng)域展開一系 列的研究。 新一代的智能水下機器人將采用多種探測與識別方式相結(jié)合 的模式來提升環(huán)境感知和目標(biāo)識別能力， 以更加智能的信息處理方式進 行運動控制與規(guī)劃決策。它的智能系統(tǒng)擁有更高的學(xué)習(xí)能力，能夠與外 界環(huán)境產(chǎn)生交互作用，最大限度的適應(yīng)外界環(huán)境，幫助其高效完成越來 越倚重于它的各種任務(wù)， 屆時智能水下機器人將成為名副其實的海洋智 能機器人。323 高效率、高精度的導(dǎo)航定位 雖然傳統(tǒng)導(dǎo)航方式隨著儀器精度和算法優(yōu)化，精度能夠提高，但由 于其基本原理決定的誤差積累仍然無法消除， 所以在任務(wù)過程中需要適 時修正以保證精度。全球定位系統(tǒng)雖然能夠提供精確

20、的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但會 暴露目標(biāo)，并容易遭到數(shù)據(jù)封鎖，不十分適合智能水下機器人的使用。 所以需要開發(fā)適于水下應(yīng)用的非傳統(tǒng)導(dǎo)航方式，例如：地形輪廓跟隨導(dǎo) 航、海底地形匹配導(dǎo)航、 重力磁力匹配導(dǎo)航和其他地球物理學(xué)導(dǎo)航技術(shù)。 其中海底地形匹配導(dǎo)航在擁有完善的并能及時更新的電子海圖的情況 下，是非常理想的高效率、高精度水下導(dǎo)航方式，美國海軍已經(jīng)在其潛 艇和潛器的導(dǎo)航中積極應(yīng)用。 未來水下導(dǎo)航將結(jié)合傳統(tǒng)方式和非傳統(tǒng)方 式，發(fā)展可靠性高、集成度高并具有綜合補償和校正功能的綜合智能導(dǎo) 航系統(tǒng)。324 高效率與高密度能源 為了滿足日益增長的民用與軍方的任務(wù)需求， 智能水下機器人對續(xù) 航力的要求也來越高，在優(yōu)化機器人

21、各系統(tǒng)能耗的前提下，仍需要提升 機器人所攜帶的能源總量。 目前所使用的電池?zé)o論體積和重量都占智能 水下機器人體積和重量的很大部分，能量密度較低，嚴(yán)重限制了各方面 性能的提升。所以，急需開發(fā)高效率、高密度能源，在整個動力能源系 統(tǒng)保持合理的體積和質(zhì)量的情況下， 使水下機器人能夠達(dá)到設(shè)計速度和 滿足多自由度機動的任務(wù)要求。325 多個體協(xié)作隨著智能水下機器人應(yīng)用的增多， 除了單一智能水下機器人執(zhí)行任 務(wù)外，會需要多個智能水下機器人協(xié)同作業(yè)， 共同完成更加復(fù)雜的任務(wù)。智能水下機器人通過大范圍的水下通訊網(wǎng)絡(luò)， 完成數(shù)據(jù)融合和群體行為控制，實現(xiàn)多機器人磋商、協(xié)同決策和管理，進行群體協(xié)同作業(yè)。多機 器人協(xié)

22、作技術(shù)在軍事上和海洋科學(xué)研究方面潛在的用途很大， 美國在其 無人水下機器人總體規(guī)劃 (UUV Master Plan) 中規(guī)劃由多艘智能水 下機器人協(xié)同作戰(zhàn)，執(zhí)行對潛艇的偵查、追蹤與獵殺，美國已經(jīng)著手研 究多個智能水下機器人協(xié)同控制技術(shù)， 其多個相關(guān)研究院所聯(lián)合提出多 水下機器人協(xié)作海洋數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的概念，并進行了大量研究，為實現(xiàn) 多機器人協(xié)同作業(yè)打基礎(chǔ)。4 AUV 涉及到的重點技術(shù)及未來需要突破的難點 雖然近些年，水下機器人技術(shù)得到空前發(fā)展，但仍有大量的關(guān)鍵技 術(shù)與難點需要突破。以目前的技術(shù)現(xiàn)狀來看，智能水下機器人離滿足海 洋開發(fā)和軍事裝備需求還有一定的距離，這其中的關(guān)鍵技術(shù)有： 41 智能

23、水下機器人總體布局和載體結(jié)構(gòu)沒有一種全功能的機器人能完成所有的任務(wù)， 所以需要依據(jù)水下機 器人任務(wù)和工作需求，結(jié)合使用條件進行總體布局設(shè)計，對水下機器人 總體結(jié)構(gòu)、流體性能、動力系統(tǒng)、控制與通訊方式進行優(yōu)化，提高有限 空間的利用效率。水下機器人工作在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，其總體結(jié)構(gòu)在 滿足壓力、水密、負(fù)載和速度需求的前提下要實現(xiàn)低阻力、高效率的空 間運動。另外在有限的空間中， 需要多種傳感器的配合， 進行目標(biāo)識別、 環(huán)境探測和自主航行等任務(wù)。整個大系統(tǒng)整合了多種分系統(tǒng)，需要完善的系統(tǒng)集成設(shè)計和電磁兼容設(shè)計，才能確?？刂婆c通訊信息流的通 暢。411 智能水下機器人設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化 為了提高智能水

24、下機器人的性能和質(zhì)量、 使用的方便性和通用性， 降低研制風(fēng)險，節(jié)約研制費用，縮短研制周期，提高與現(xiàn)有鄰近系統(tǒng)的 協(xié)作能力、以及保障批量生產(chǎn)能力，智能水下機器人的標(biāo)準(zhǔn)化是智能水 下機器人的研制與生產(chǎn)的迫切需求。因為模塊化是標(biāo)準(zhǔn)化的高級形式， 標(biāo)準(zhǔn)化的目的是要實現(xiàn)生產(chǎn)的模塊化和各功能部件的模塊化組裝以實 現(xiàn)使用中的功能擴展和任務(wù)可重構(gòu)。 在智能水下機器人標(biāo)準(zhǔn)化的進程中 需要提出有關(guān)機械、電氣、軟件標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)格式的概念，在設(shè)計和 建造過程中分模塊進行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。4 12 小型化、輕型化和仿生技術(shù)的應(yīng)用 鑒于智能水下機器人需要能在較大范圍的海域航行， 從流體動力學(xué) 的角度宜采用類似于魚

25、雷的細(xì)長的回轉(zhuǎn)體， 并盡可能采用輕型復(fù)合材料 為機器人提供較大的正浮力，以提高機器人的續(xù)航力和負(fù)載能力。這些 材料需要有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕性好、抗生物附著能力強等特點， 并要有一定的抑制噪聲的能力以降低背景噪聲。 采用小型化技術(shù)的水下 機器人具有個體小、機動靈活、隱身性好、布施方便等特點，非常適合 進行智能化水下作業(yè)。各個行業(yè)都十分注重從大自然的智慧中汲取靈感尋找突破， 仿生學(xué) 在諸多領(lǐng)域已經(jīng)有長足的發(fā)展。由于魚類擺尾式機動不但效率高、操縱 靈活，而且尾跡小、幾乎不產(chǎn)生噪聲，是水下推進和操控的最佳方式。 目前國內(nèi)外的學(xué)者正進行積極的研究， 試圖將擺動式推進應(yīng)用到之后的 智能水下機器人中。該

26、研究仍處于理論研究階段，要實現(xiàn)實際意義上的 多自由度閉環(huán)控制的推進，滿足各種工作需求，把潛在優(yōu)勢轉(zhuǎn)變成可利 用技術(shù)還有很多工作要做。42 智能體系結(jié)構(gòu) 智能水下機器人最大的特點就是能夠獨立自主地進行作業(yè)， 所以如 何提高水下機器人的自主能力 （ 即智能水平 ） ，以便在復(fù)雜的海洋環(huán)境中 完成不同的任務(wù)，是目前的研究熱點。從 20世紀(jì) 80年代開始，人們針 對如何提升水下機器人的智能水平，對智能體系結(jié)構(gòu)、環(huán)境感知與任務(wù) 規(guī)劃等展開一系列的研究。其中不斷改進和完善現(xiàn)有的智能體系結(jié)構(gòu)， 提升對未來趨勢的預(yù)測能力，加強系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)能力，使智能系統(tǒng)更 具有前瞻性，是提高智能系統(tǒng)自主性和適應(yīng)性的關(guān)鍵。4

27、21 人工智能技術(shù)智能水下機器人的自主性是通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)的， 人工智能技 術(shù)和集成控制技術(shù)構(gòu)成相當(dāng)于人類大腦的智能體系結(jié)構(gòu)， 軟件體系則模 擬人類大腦進行工作，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的總體集成和系統(tǒng)調(diào)度，直接決定 著機器人的智能水平。 其中為人工智能推演所廣泛遵守的原則是根據(jù)時 間和功能來劃分整個體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)造模塊和層次， 最具代表性的則是美 國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）和美國航天航空局（NASA提出的NASRE結(jié)構(gòu)。該 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中各個模塊的功能和相互間的關(guān)系定義的非常清晰， 這有 利于整個系統(tǒng)的構(gòu)成和各模塊內(nèi)算法的裝填和更換效率， 但這種劃分方 式會導(dǎo)致系統(tǒng)的反應(yīng)較慢。針對這種劃分方式反應(yīng)較慢的特

28、點，目前有 研究機構(gòu)模擬人類大腦物理結(jié)構(gòu)的基于連接主義的反射性， 提出依據(jù)行 為來劃分模塊和層次。 在目前的人工智能研究中主要采用基于符號的推 理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 其中基于符號的推理對智能系統(tǒng)來說是最基本 的需求。但是，目前基于符號的推理仍存在較多的局限性，比如系統(tǒng)較 脆弱、獲取知識困難、學(xué)習(xí)能力較低和實時性較差等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相 對有較強的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和自適應(yīng)能力，它更擅長于處理不精確和不完全 的信息，并具有較好的容錯性，能夠較好的彌補基于符號的邏輯推理的 不足，所以兩項技術(shù)的結(jié)合更具有發(fā)展?jié)摿Α?22 智能規(guī)劃與決策不像海洋平臺一樣僅需針對某一海域進行設(shè)計， 智能水下機器人的 工作任務(wù)決

29、定了它必須能夠適應(yīng)廣泛的水下環(huán)境， 復(fù)雜海洋環(huán)境中充滿 著各種未知因素，風(fēng)、浪、流、深水壓力等干擾時刻挑戰(zhàn)著水下機器人 的智能規(guī)劃與決策能力。以海流為例，大洋中海流的大小與方向不但與 時間有密切的關(guān)系，而且隨著地點不同也會有較大變化，這對智能水下機器人的路徑規(guī)劃和避碰規(guī)劃是一個時刻緊隨的考驗。 針對海洋環(huán)境的 復(fù)雜性，智能水下機器人需要擁有良好的學(xué)習(xí)機制，才能盡快的適應(yīng) 海洋環(huán)境，擁有理想的避碰規(guī)劃和路徑優(yōu)化的能力 4| 。4 3 智能水下機器人的運動控制 智能水下機器人的運動控制包括對其自身運動形態(tài)、各執(zhí)行機構(gòu) 和傳感器的綜合控制， 水下機器人的六自由度空間運動具有明顯的非線 性和交叉耦合性

30、， 需要一個完善的集成運動控制系統(tǒng)來保障運動與定位 的精度，此系統(tǒng)需要集成信息融合、故障診斷、容錯控制策略等技術(shù)。 雖然目前不斷改進新型控制算法對水下機器人進行任務(wù)與航跡規(guī)劃， 但 由于在復(fù)雜環(huán)境中水下機器人運動的時變性很難建立精確的運動模型， 那么人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模糊邏輯推理控制技術(shù)的作用更加重要。 模糊 邏輯推理控制器設(shè)計簡單、穩(wěn)定性好，但在實際應(yīng)用中由于模糊變量眾 多，參數(shù)調(diào)整復(fù)雜，需要消耗大量時間，所以需要和其他控制器配合使 用，比如 PID 控制器、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方 式的優(yōu)點是， 在充分考慮水下機器人運動的非線性和交叉耦合性的前提 下，能夠識別跟蹤并學(xué)習(xí)自

31、身和外界環(huán)境的變化，但是如果外界環(huán)境干 擾變化的頻率和幅度與其自身運動相接近時， 它的學(xué)習(xí)能力將表現(xiàn)出明 顯的滯后，控制滯后則會導(dǎo)致控制振蕩的出現(xiàn)，對水下機器人的安全和 任務(wù)執(zhí)行是極為不利的 5| 。各種控制方式相互結(jié)合使用的目的是提高 控制器的控制精度與收斂速度， 如何在保證水下機器人運動控制穩(wěn)定的情況下提升控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性， 提高智能系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可行性 是目前工作的重點。44 智能水下機器人的通訊導(dǎo)航定位 智能水下機器人要完成任務(wù)首先需要明確任務(wù)所需到達(dá)的目的地， 到達(dá)目的地的路徑以及整個過程中自己所處的位置。 前兩個問題屬于導(dǎo) 航范圍，后一個問題需要定位技術(shù)的支持，而整個過程都要

32、依賴先進的 通訊技術(shù)。441 智能水下機器人的通訊 智能水下機器人通過水聲通訊和光電通訊方式來傳輸各類控制指 令及各類傳感器、聲納、攝像機等探測設(shè)備的反饋信息。兩種方式各有 優(yōu)缺點，目前主要依賴于水聲通訊， 但是聲波在水中的傳播速度很低 （ 遠(yuǎn) 遠(yuǎn)低于光速 ） ，在執(zhí)行一定距離的任務(wù)時，會產(chǎn)生較大的時間延遲，不 能保證控制信息作用的即時性和全時性。由于水下聲波能量衰減較大， 所以聲波的傳輸距離直接受制于載波頻率和發(fā)射功率， 目前水聲通訊的 距離僅限10km左右，這大大限制了水下機器人的作業(yè)空間。目前世界 各國正積極開發(fā)水下激光通訊， 激光信號可以通過飛機和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)以實 現(xiàn)大范圍的通訊，其中海水

33、介質(zhì)對藍(lán)綠激光的吸收率最小，目前美國已 經(jīng)實現(xiàn)了由空中對水下100 m左右深度的潛艇進行通訊。但是目前的藍(lán) 綠激光器體積較大，能耗也較大，效率低，離應(yīng)用到智能水下機器人上 還有一定距離。442 智能水下機器人的導(dǎo)航定位智能水下機器人能否到達(dá)預(yù)定區(qū)域完成預(yù)定任務(wù)， 水下導(dǎo)航技術(shù)起 到至關(guān)重要的作用， 是目前水下機器人領(lǐng)域發(fā)展急需突破的瓶頸問題之 一。目前空中導(dǎo)航已經(jīng)擁有了較成熟的技術(shù)， 而由于水下環(huán)境的復(fù)雜性， 以及信息傳輸方式和傳輸距離的受限， 使得水下導(dǎo)航比空中導(dǎo)航要更有 難度 L 6| 。水下導(dǎo)航技術(shù)從發(fā)展時間和工作原理上可分為傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù) 和非傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)，其中傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)包括航位推算導(dǎo)

34、航、慣性導(dǎo)航、 多普勒聲納導(dǎo)航和組合式導(dǎo)航。 最初的水下機器人主要依賴于航位推算 進行導(dǎo)航，之后則逐漸加入慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒速度儀和卡爾曼濾波 器，這種導(dǎo)航方式雖然機構(gòu)簡單，實現(xiàn)容易，但它存在致命的缺陷，經(jīng) 過長時間的連續(xù)航行后會產(chǎn)生非常明顯的方位誤差， 所以整個過程中隔 一段時間就需要重新確認(rèn)方位，修正后繼續(xù)進行推算。目前智能水下機 器人大多采用多種方式組合導(dǎo)航，主要利用慣性導(dǎo)航、多普勒聲納導(dǎo)航 和利用聲納影像的視覺導(dǎo)航等多種數(shù)據(jù)融合進行導(dǎo)航， 定位技術(shù)主要是 水下聲波跟蹤定位結(jié)合全球定位系統(tǒng)的外部定位技術(shù)。 組合式導(dǎo)航技術(shù) 將多種傳感器的信息充分融合后作為基本的導(dǎo)航信息， 不但提升了導(dǎo)航

35、 的精度，而且還提高了整個系統(tǒng)的可靠性，即便有某種傳感器誤差較大 或是不能工作，水下機器人依然能夠工作。其中將多種數(shù)據(jù)進行提取、 過濾和融合的方法仍在不斷的改進中。 傳統(tǒng)導(dǎo)航方式的原理決定了其誤 差積累的缺陷，為了保持精度，需要對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行不問斷的更新、修 正，更新數(shù)據(jù)可通過全球定位系統(tǒng)或非傳統(tǒng)方法獲得。通過全球定位系 統(tǒng)不但會占用任務(wù)時間而且會使行動的隱蔽性大大降低， 通過非傳統(tǒng)導(dǎo) 航方式則可以克服這些缺陷。非傳統(tǒng)導(dǎo)航方式是目前研究的熱門方向， 主要有海底地形匹配導(dǎo)航和重力磁力匹配導(dǎo)航等， 其中海底地形匹配導(dǎo) 航，在擁有完善的、并能夠及時更新的電子海圖的情況下，是目前非常 理想的高效率、高

36、精度導(dǎo)航方式，美國海軍已經(jīng)將其廣泛應(yīng)用于潛艇的 導(dǎo)航 7I 。未來水下導(dǎo)航將結(jié)合傳統(tǒng)方式和非傳統(tǒng)方式，發(fā)展可靠性好、 集成度高并具有綜合補償和校正功能的綜合智能導(dǎo)航系統(tǒng)。45 水下目標(biāo)的探測與識別 智能水下機器人要實現(xiàn)“智能”就不能“閉塞視聽” ，它需要時刻 感知外界環(huán)境的信息，尤其是水下目標(biāo)的信息，基于這些信息才能做出 智能決策，所以水下目標(biāo)的探測與識別就相當(dāng)于智能水下機器人的 “視、 聽、觸覺”，是其與所處環(huán)境“交流”的基本方式。目前水下目標(biāo)探測 與識別技術(shù)可以通過聲學(xué)傳感器、微光 TV成像和激光成像等方式。首 先微光TV成像采集的信息圖像清晰度和分辨率都較好，但是其成像質(zhì) 量受海水能見度

37、的影響很大，綜合來看其可接受的識別距離太短，適用 范圍大大受限。激光成像技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展，激光成像儀的體積、 重量和功耗都大大降低，達(dá)到智能水下機器人可利用的級別，值得指出 的是，其成像質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲學(xué)傳感器成像質(zhì)量，能夠達(dá)到微光TV成像的水平，但其工作距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微光 TV成像，并且能夠提供準(zhǔn)確的 目標(biāo)距離、坐標(biāo)等信息。是較理想的水下目標(biāo)探測與識別的手段。此項 技術(shù)目前在美國已有應(yīng)用，中國仍處于研究階段，現(xiàn)在還沒有達(dá)到工 程應(yīng)用要求的激光成像儀可供智能水下機器人使用。 聲學(xué)傳感器成像技 術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)一定分辨率的成像，并且在水下的作用距離較遠(yuǎn)，在目前水 下探測與識別領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。根據(jù)信息類

38、型不同可分為兩類：基于聲 回波信號探測識別和利用聲納圖像探測識別。 基于聲回波信號的探測技 術(shù)原理類似于空中利用雷達(dá)反射波進行目標(biāo)識別， 從 20世紀(jì) 60年代開 始，廣泛應(yīng)用于海岸預(yù)警系統(tǒng)和潛用聲納目標(biāo)分類系統(tǒng)，通過回波信號 的強度、頻譜、包跡等特征對預(yù)設(shè)類別的目標(biāo)，例如水面艦船和潛艇進 行探測識別。隨著水聲技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠區(qū)分近距離的小型目標(biāo)， 基于聲納圖像的探測識別技術(shù)成為目前水下探測識別技術(shù)的中流砥柱， 但它目前仍然有諸多的局限性。 聲波在水中傳播比無線電波在空氣中傳 播效果要差很多， 在各種環(huán)境噪聲和背景目標(biāo)的影響下， 成像質(zhì)量不高， 加大了水下目標(biāo)的探測與識別的難度。 為了使獲

39、得的圖像擁有適用的分 辨率，需要采用較高頻率的聲納，目前所使用的成像聲納的中心頻率已 達(dá)到幾百千赫茲，但這又引入另一個限制因素。聲波在水中傳播是沿體 積擴散的， 并且海水介質(zhì)對聲波能量的吸收隨著聲波中心頻率的增長而 呈現(xiàn)二次方的增長，海水將會吸收掉高頻聲波相當(dāng)大的能量，導(dǎo)致遠(yuǎn)距 離傳輸?shù)穆暡〞休^大的衰減，使得聲納成像的分辨率低和像素信息 少。目前還沒有形成成熟的聲納圖像目標(biāo)識別理論，聲納圖像中的目標(biāo) 一般呈點狀和塊狀，進行目標(biāo)識別時，依據(jù)目標(biāo)信息圖像的大小用開變 換方法進行預(yù)處理，即能得到可利用的識別信息。由于海洋環(huán)境的特殊 性和復(fù)雜性，對水下目標(biāo)探測與識別的技術(shù)應(yīng)用有很大的限制，以至于 可

40、應(yīng)用的手段也非常有限。從技術(shù)上來說，聲探測技術(shù)容易實現(xiàn)，并且 探測距離較遠(yuǎn)，到目前為止仍是主要的水下目標(biāo)探測手段，而基于聲納 圖像的目標(biāo)探測與識別可靠性和精確性仍然不高。 激光成像不但分辨率 高、信息豐富，而且作用距離遠(yuǎn)，是非常理想的水下目標(biāo)探測與識別手 段， 激光成像水下目標(biāo)的探測與識別技術(shù)是中國目前努力研究的方向。4。6 智能水下機器人的動力能源隨著水下機器人各方面技術(shù)的發(fā)展，其執(zhí)行的任務(wù)也更加多樣，這 就需要水下機器人擁有良好的機動性和操控性， 有時還需要執(zhí)行高抗流 作業(yè)和長時間連續(xù)作業(yè)等任務(wù)，對水下機器人續(xù)航力的需求逐漸增強。 早期的水下機器人大多由鉛酸電池提供電力能源， 少數(shù)采用銀鋅電池提 供能源，但銀鋅電池造價昂貴，不適合廣泛使用。隨著鎳錳電池技術(shù)的 發(fā)展，目前水下機器人使用較多的是鎳錳電池，雖然續(xù)航力已經(jīng)從最初 的幾個小時提升到了幾十小時甚至是上百小時， 但仍離智能水下機器人 的需求有一定差距；而且鎳錳電池體積和質(zhì)量過大，造成機器人質(zhì)量增 大和結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，給機器人的設(shè)計和使用帶來很多不便。目前急需開 發(fā)高效率、高密度能源，在整個動力能源系統(tǒng)保持合理的體積和質(zhì)量的 情況下，使水下機器人能夠達(dá)到設(shè)計速度和滿足多自由度機動要求，其 中優(yōu)化機器人的推進系統(tǒng)， 使其在保證預(yù)定速度和機動要求的情況下效 率最高、能耗最小，也對提升續(xù)航力有可觀的貢獻。 5智能水下機器