水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì).

1、水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人、智能水下機(jī)器人、智能體系、運(yùn)動(dòng)控制、通訊導(dǎo)航、探測(cè)識(shí)別、高效能源隨著人類海洋開發(fā)的步伐不斷加快， 水下機(jī)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(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行了定義與分類。介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)針對(duì)智能水下機(jī)器人的主要關(guān)鍵技術(shù)及未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了分析。地球的表面積為 51 億 km2，而海洋的面積為 36 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(shí)的，而且是最具發(fā)展?jié)摿?/p>

2、的空間。作為藍(lán)色國(guó)土的海洋密切關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，進(jìn)入 21 世紀(jì)后，人類更加強(qiáng)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(shí)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(lái)的希望。水下機(jī)器人從 20 世紀(jì)后半葉誕生起，就伴隨著人類認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋和保護(hù)海洋的進(jìn)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(jī)器人，將使海洋開發(fā)進(jìn)人一個(gè)全新的時(shí)代，在人類爭(zhēng)相向海洋進(jìn)軍的 21 世紀(jì)，水下機(jī)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(duì)人類的重要性海洋作為藍(lán)色國(guó)土，首先是一個(gè)沿海國(guó)家的“門戶” ，是其與遠(yuǎn)方聯(lián)系的便

3、捷途徑，并且“門戶”的安全是國(guó)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(shuí)控制了海洋，誰(shuí)就控制了一切”。很久以來(lái)人們就依賴于海洋航道進(jìn)行大量的物品貿(mào)易，現(xiàn)在整個(gè)世界大部分的貨物運(yùn)輸都依賴于海上運(yùn)輸，海洋運(yùn)輸是整個(gè)經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)必要的一環(huán)。更重要的是，現(xiàn)在很多國(guó)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(yùn)輸， 海洋運(yùn)輸?shù)陌踩蛯?duì)海洋的控制力成為一個(gè)國(guó)家生存的基本保障。近年來(lái)再次掀起海洋熱的浪潮是因?yàn)殛懮系馁Y源有限， 很多資源已經(jīng)開發(fā)殆盡，而海洋中蘊(yùn)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多的陸上資源來(lái)維持發(fā)展。更

4、為重要的是，地球上半數(shù)以上面積的海洋是國(guó)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(guó)家。但目前的現(xiàn)狀是只有少數(shù)國(guó)家有能力對(duì)這些資源進(jìn)行初步開采， 這些國(guó)家在其已探明的區(qū)域擁有優(yōu)先開采權(quán)， 相對(duì)于那些沒有能力開采的國(guó)家這幾乎就等于獨(dú)享這部分資源。因此海洋已經(jīng)成為國(guó)際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，爭(zhēng)奪國(guó)際海洋資源是一項(xiàng)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(diǎn)研究的高新技術(shù)之一，智能水下機(jī)器人作為高效率的水下工作平臺(tái)在海洋開發(fā)與利用中起到至關(guān)重要的作用。2 水下機(jī)器人的定義與分類21 水下機(jī)器人的定義與概述水下機(jī)器人也稱作無(wú)入水下潛水器(unmanned underwater vehicles

5、，UUV)，它并不是一個(gè)人們通常想象的具有類人形狀的機(jī)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(jī)器人的自身形態(tài)是依據(jù)水下工作要求來(lái)設(shè)計(jì)的。 生活在陸地上的人類經(jīng)過自然進(jìn)化，諸多的自身形態(tài)特點(diǎn)是為了滿足陸地運(yùn)動(dòng)、感知和作業(yè)要求，所以大多數(shù)陸地機(jī)器人在外觀上都有類人化趨勢(shì)，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(diǎn)與魚類相比則完全處于劣勢(shì)， 所以水下運(yùn)載體的仿生大多體現(xiàn)在對(duì)魚類的仿生上。目前水下機(jī)器人大部分是框架式和類似于潛艇的回轉(zhuǎn)細(xì)長(zhǎng)體，隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿魚類形態(tài)甚至是運(yùn)動(dòng)方式的水下機(jī)器人將會(huì)不斷發(fā)展。水下機(jī)器人工作在

6、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(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制干擾嚴(yán)重，使得水下機(jī)器人的通信和導(dǎo)航定位十分困難，這是與陸地機(jī)器人最大的不同，也是目前阻礙水下機(jī)器人發(fā)展的主要因素 2| 。22 水下機(jī)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(wú)人潛水器兩類。載人潛水器由人工輸入信號(hào)操控各種機(jī)動(dòng)與動(dòng)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(diǎn)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(xiǎn)性增大。由于載人需要足夠的耐壓空間、可靠的生命安全保障和生命維持系統(tǒng)，這將為潛水器帶來(lái)體積龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高昂、工作環(huán)境受限等不利因素。

7、無(wú)人水下潛水器就是人們常說的水下機(jī)器人，由于沒有載人的限制，它更適合長(zhǎng)時(shí)間、大范圍和大深度的水下作業(yè)。無(wú)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(jī)器人，或者稱作遙控水下機(jī)器人 (remotely operated vehicle ，簡(jiǎn)稱 ROV)，ROV需要由電纜從母船接受動(dòng)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(duì) ROV進(jìn)行遙控操作，電纜對(duì) RoV像“臍帶”對(duì)于胎兒一樣至關(guān)重要，但是由于細(xì)長(zhǎng)的電纜懸在海中成為 RoV最脆弱的部分，大大限制了機(jī)器人的活動(dòng)范圍和工作效率。 (2) 無(wú)纜水下機(jī)器人，常稱作自治水下機(jī)器人或智能水下機(jī)器人

8、(autonomous underwater vehicle ，簡(jiǎn)稱 AUV)，AUV自身?yè)碛袆?dòng)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(jìn)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(jī)器人，由于其在經(jīng)濟(jì)和軍事應(yīng)用上的遠(yuǎn)大前景，許多國(guó)家已經(jīng)把智能水下機(jī)器人的研發(fā)提上日程。有纜水下機(jī)器人都是遙控式的，根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式不同可分為拖曳式、 ( 海底) 移動(dòng)式和浮游 ( 自航 ) 式三種。無(wú)纜水下機(jī)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)，擁有廣闊的應(yīng)用前景，在一定程度上代表了目前水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。23 自治水下機(jī)器人自治水下機(jī)器人， 又稱智能

9、水下機(jī)器人， 是將人工智能、 探測(cè)識(shí)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(shí)時(shí)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(jī)器人。 俄羅斯科學(xué)家 BC亞斯特列鮑夫等人所著的水下機(jī)器人中指出第 3 代智能水下機(jī)器人是一種具有高度人工智能的系統(tǒng)，其特點(diǎn)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(jī)器人后，由其自主決定行為方式和路徑規(guī)劃，軍事領(lǐng)域中各種戰(zhàn)術(shù)甚至戰(zhàn)略任務(wù)都依靠其自主決策來(lái)完成。 智能水下機(jī)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(jī)器人

10、技術(shù)的發(fā)展方向 L3| 。3 國(guó)內(nèi)外 AUV的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)31 國(guó)內(nèi)外 AUV的發(fā)展現(xiàn)狀智能水下機(jī)器人 (AuV) 是無(wú)人水下機(jī)器人 (UUV)的一種。無(wú)人水下航行器技術(shù)無(wú)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(yàn)丟失的海底武器( 如魚雷 ) ，后來(lái)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(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、 微電子技術(shù)、 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(jìn)，自主式水下航行器得到了大力發(fā)展。由于AUV擺脫了系纜的牽絆，在水下

11、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(guó)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(guó)家像美國(guó)、日本、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、加拿大、瑞典、意大利、挪威、冰島、葡萄牙、丹麥、韓國(guó)、澳大利亞等建造了數(shù)百個(gè)智能水下機(jī)器人，雖然大部分為試驗(yàn)用，但隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求的不斷增強(qiáng)，用于海洋開發(fā)和軍事作戰(zhàn)的智能水下機(jī)器人不斷問世。 由于智能水下機(jī)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(guó)都十分重視軍事用途智能水下機(jī)器人的研發(fā)，著名的研究機(jī)構(gòu)有：美國(guó)麻省理工學(xué)院 MIT Sea Grant S AUV實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍研究生院 (Naval Postgraduate Sch00

12、1) 智能水下運(yùn)載器研究中心、美國(guó)伍慈侯海洋學(xué)院 (Woods Hole oceanographic Institute) 、美國(guó)佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)高級(jí)海洋系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室 (Advanced Marine Systems La boratory) 、美國(guó)緬因州大學(xué)海洋系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室(Marine Systems Underwater Systems Institute)、美國(guó)夏威夷大學(xué)自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(Autonomous Systems Laboratory)、日本東京大學(xué)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室(Underwater Robotics ApplicationLaboratory(URA)、英國(guó)海事技術(shù)

13、中心 (Marine Technology Center) 等。美國(guó)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(cè)與識(shí)別等技術(shù)。圖2( 見封二 ) 是美國(guó)麻省理工學(xué)院的水下機(jī)器人Odyssey II ，它長(zhǎng) 215 m，直徑為 059 m，用于兩個(gè)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(jī)制；檢測(cè)中部大洋山脊處的火山噴發(fā)。美國(guó)的 ABE(圖 3，見封二 ) 最大潛深 60 m，最大速度 2 節(jié)( 編者注： 1 節(jié)=1 海里時(shí) =1852 kmh) ，巡航速度 1 節(jié)，考察距離 30 km，考察時(shí)間 50 h ，能夠在沒有支持母船的情況下，較

14、長(zhǎng)時(shí)間地執(zhí)行海底科學(xué)考察任務(wù)，它是對(duì)載人潛水器和無(wú)人遙控潛水器的補(bǔ)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(jī)器人 ( 圖 4，見封二) 長(zhǎng) 44 m，寬 108 m，高 081m，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(cè)噴涌熱水的海底火山、沉船、海底礦產(chǎn)資源和生物等。 REMuS(remote environmental monitoring units ，遠(yuǎn)距離環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置 ) 是美 Hydroid公司的系列水下機(jī)器人( 圖 5，見封二 ) 。REMUS6000工作深

15、度為 2560 m，是一個(gè)高度模塊化的系統(tǒng)，代表了自主式水下探測(cè)器的最高水平。中國(guó)智能水下機(jī)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(jī)構(gòu)包括中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和哈爾濱工程大學(xué)等。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所蔣新松院士領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)了“海人一號(hào)”遙控式水下機(jī)器人試驗(yàn)樣機(jī)。之后“863”計(jì)劃的自動(dòng)化領(lǐng)域開展了潛深1 000 m的“探索者號(hào)”智能水下機(jī)器人的論證與研究工作，做出了非常有意義的探索性研究。 哈爾濱工程大學(xué)的智水系列智能水下機(jī)器人已經(jīng)突破智能決策與控制等多個(gè)技術(shù)難關(guān)，各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都在向工程可應(yīng)用級(jí)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(jī)器人在

16、真實(shí)海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了自主識(shí)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(xiàng)功能。圖 7( 見封二 ) 是哈爾濱工程大學(xué)的綜合探測(cè)智能水下機(jī)器人。 目前通過各科研機(jī)構(gòu)和大專院校的同期研制工作，智能水下機(jī)器人已經(jīng)服役并正在形成系列，特別是中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)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一 02 系列預(yù)編程控制的水下機(jī)器人，已經(jīng)完成了太平洋深海的考察工作，達(dá)到了實(shí)用水平。由于在工業(yè)設(shè)計(jì)、制造工藝、綜合控制、目標(biāo)探測(cè)、導(dǎo)航地位和通訊等領(lǐng)域中國(guó)同水下技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比還有一定差距， 致使我們的水下機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中還有較

17、大限制。 相關(guān)領(lǐng)域從國(guó)外購(gòu)買或租賃的水下機(jī)器人不但價(jià)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(guó)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(zhǎng)，開發(fā)更具有實(shí)用價(jià)值的智能水下機(jī)器人勢(shì)在必行。32 智能水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)321 整體設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化為了提升智能水下機(jī)器人的性能、使用的方便性和通用性，降低研制風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約研制費(fèi)用，縮短研制周期，保障批量生產(chǎn)，智能水下機(jī)器人整體設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化是未來(lái)的發(fā)展方向。在智能水下機(jī)器人研發(fā)過程中依據(jù)有關(guān)機(jī)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(jìn)行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)和建造。智能水下機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，使其

18、各個(gè)系統(tǒng)都有章可依、有法可循，每個(gè)系統(tǒng)都能夠結(jié)合各協(xié)作系統(tǒng)的特性進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，不但可以加強(qiáng)各個(gè)系統(tǒng)的融合程度，提升機(jī)器人的整體性能，而且通過模塊化的組合還能輕松實(shí)現(xiàn)任務(wù)的擴(kuò)展和可重構(gòu)。322 高度智能化由于智能水下機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜性和未知性，需要不斷改進(jìn)和完善現(xiàn)有的智能體系結(jié)構(gòu)，提升對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)能力，加強(qiáng)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(duì)如何提升水下機(jī)器人的智能水平，已經(jīng)對(duì)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(jī)器人將采用多種探測(cè)與識(shí)別方式相結(jié)合的模式來(lái)提升環(huán)境感知和目標(biāo)識(shí)別能力， 以更加智能的信息處理方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃決策。它的智能

19、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(lái)越倚重于它的各種任務(wù)， 屆時(shí)智能水下機(jī)器人將成為名副其實(shí)的海洋智能機(jī)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(wú)法消除，所以在任務(wù)過程中需要適時(shí)修正以保證精度。全球定位系統(tǒng)雖然能夠提供精確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，但會(huì)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(jī)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

20、善的并能及時(shí)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(guó)海軍已經(jīng)在其潛艇和潛器的導(dǎo)航中積極應(yīng)用。未來(lái)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(bǔ)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(zhǎng)的民用與軍方的任務(wù)需求，智能水下機(jī)器人對(duì)續(xù)航力的要求也來(lái)越高，在優(yōu)化機(jī)器人各系統(tǒng)能耗的前提下，仍需要提升機(jī)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(jī)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(gè)動(dòng)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(jī)

21、器人能夠達(dá)到設(shè)計(jì)速度和滿足多自由度機(jī)動(dòng)的任務(wù)要求。325 多個(gè)體協(xié)作隨著智能水下機(jī)器人應(yīng)用的增多， 除了單一智能水下機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)外，會(huì)需要多個(gè)智能水下機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)多機(jī)器人磋商、協(xié)同決策和管理，進(jìn)行群體協(xié)同作業(yè)。多機(jī)器人協(xié)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(guó)在其無(wú)人水下機(jī)器人總體規(guī)劃(UUV Master Plan) 中規(guī)劃由多艘智能水下機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)，執(zhí)行對(duì)潛艇的偵查、追蹤與獵殺，美國(guó)已經(jīng)著手研究多個(gè)智能水下機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)，其多個(gè)相關(guān)研究院所聯(lián)合提出多水下機(jī)器人協(xié)作海洋

22、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的概念，并進(jìn)行了大量研究，為實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)打基礎(chǔ)。4 AUV 涉及到的重點(diǎn)技術(shù)及未來(lái)需要突破的難點(diǎn)雖然近些年，水下機(jī)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(diǎn)需要突破。以目前的技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，智能水下機(jī)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 智能水下機(jī)器人總體布局和載體結(jié)構(gòu)沒有一種全功能的機(jī)器人能完成所有的任務(wù)，所以需要依據(jù)水下機(jī)器人任務(wù)和工作需求，結(jié)合使用條件進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)，對(duì)水下機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)、流體性能、動(dòng)力系統(tǒng)、控制與通訊方式進(jìn)行優(yōu)化，提高有限空間的利用效率。水下機(jī)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

23、需求的前提下要實(shí)現(xiàn)低阻力、高效率的空間運(yùn)動(dòng)。另外在有限的空間中， 需要多種傳感器的配合， 進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、環(huán)境探測(cè)和自主航行等任務(wù)。整個(gè)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(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)，才能確保控制與通訊信息流的通暢。411 智能水下機(jī)器人設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化為了提高智能水下機(jī)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(xiǎn)，節(jié)約研制費(fèi)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(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化是智能水下機(jī)器人的研制與生產(chǎn)的迫切需求。因?yàn)槟K化是標(biāo)準(zhǔn)化的高級(jí)形式，標(biāo)準(zhǔn)化的目的是要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的模塊化和各功能部件的模塊化組裝以實(shí)現(xiàn)使用中的功能擴(kuò)展和任務(wù)可

24、重構(gòu)。在智能水下機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程中需要提出有關(guān)機(jī)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(jì)和建造過程中分模塊進(jìn)行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。412 小型化、輕型化和仿生技術(shù)的應(yīng)用鑒于智能水下機(jī)器人需要能在較大范圍的海域航行，從流體動(dòng)力學(xué)的角度宜采用類似于魚雷的細(xì)長(zhǎng)的回轉(zhuǎn)體，并盡可能采用輕型復(fù)合材料為機(jī)器人提供較大的正浮力，以提高機(jī)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(qiáng)度高、耐腐蝕性好、抗生物附著能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(jī)器人具有個(gè)體小、機(jī)動(dòng)靈活、隱身性好、布施方便等特點(diǎn)，非常適合進(jìn)行智能化水下作業(yè)。各個(gè)行業(yè)都十分注重從大自然的智慧

25、中汲取靈感尋找突破，仿生學(xué)在諸多領(lǐng)域已經(jīng)有長(zhǎng)足的發(fā)展。由于魚類擺尾式機(jī)動(dòng)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(jìn)和操控的最佳方式。目前國(guó)內(nèi)外的學(xué)者正進(jìn)行積極的研究，試圖將擺動(dòng)式推進(jìn)應(yīng)用到之后的智能水下機(jī)器人中。該研究仍處于理論研究階段，要實(shí)現(xiàn)實(shí)際意義上的多自由度閉環(huán)控制的推進(jìn)，滿足各種工作需求，把潛在優(yōu)勢(shì)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(jī)器人最大的特點(diǎn)就是能夠獨(dú)立自主地進(jìn)行作業(yè)，所以如何提高水下機(jī)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(diǎn)。從20 世紀(jì) 80 年代開始，人們針對(duì)如何提升水下機(jī)器人的智

26、能水平，對(duì)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(jìn)和完善現(xiàn)有的智能體系結(jié)構(gòu)，提升對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)能力，加強(qiáng)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。421 人工智能技術(shù)智能水下機(jī)器人的自主性是通過人工智能技術(shù)實(shí)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(jìn)行工作，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的總體集成和系統(tǒng)調(diào)度，直接決定著機(jī)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(shí)間和功能來(lái)劃分整個(gè)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(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 (NBS)和美國(guó)航天航空局 (NASA)提出的

27、 NASREM結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中各個(gè)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(gè)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(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的反應(yīng)較慢。針對(duì)這種劃分方式反應(yīng)較慢的特點(diǎn)，目前有研究機(jī)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(lái)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(hào)的推理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 其中基于符號(hào)的推理對(duì)智能系統(tǒng)來(lái)說是最基本的需求。但是，目前基于符號(hào)的推理仍存在較多的局限性，比如系統(tǒng)較脆弱、獲取知識(shí)困難、學(xué)習(xí)能力較低和實(shí)時(shí)性較差等。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對(duì)有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和自適應(yīng)能力，它更擅長(zhǎng)于處理不精確和不完全的信息，并

28、具有較好的容錯(cuò)性，能夠較好的彌補(bǔ)基于符號(hào)的邏輯推理的不足，所以兩項(xiàng)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(tái)一樣僅需針對(duì)某一海域進(jìn)行設(shè)計(jì)，智能水下機(jī)器人的工作任務(wù)決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(shí)刻挑戰(zhàn)著水下機(jī)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(shí)間有密切的關(guān)系，而且隨著地點(diǎn)不同也會(huì)有較大變化，這對(duì)智能水下機(jī)器人的路徑規(guī)劃和避碰規(guī)劃是一個(gè)時(shí)刻緊隨的考驗(yàn)。針對(duì)海洋環(huán)境的復(fù)雜性，智能水下機(jī)器人需要擁有良好的學(xué)習(xí)機(jī)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| 。43

29、智能水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制智能水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制包括對(duì)其自身運(yùn)動(dòng)形態(tài)、各執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器的綜合控制， 水下機(jī)器人的六自由度空間運(yùn)動(dòng)具有明顯的非線性和交叉耦合性， 需要一個(gè)完善的集成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)保障運(yùn)動(dòng)與定位的精度，此系統(tǒng)需要集成信息融合、故障診斷、容錯(cuò)控制策略等技術(shù)。雖然目前不斷改進(jìn)新型控制算法對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)與航跡規(guī)劃， 但由于在復(fù)雜環(huán)境中水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的時(shí)變性很難建立精確的運(yùn)動(dòng)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(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，但在實(shí)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(shí)間，所以需要和其他控制器配合使用，比如 PID

30、 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(diǎn)是， 在充分考慮水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的非線性和交叉耦合性的前提下，能夠識(shí)別跟蹤并學(xué)習(xí)自身和外界環(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(yùn)動(dòng)相接近時(shí)， 它的學(xué)習(xí)能力將表現(xiàn)出明顯的滯后，控制滯后則會(huì)導(dǎo)致控制振蕩的出現(xiàn)，對(duì)水下機(jī)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中的可行性是目前工作的重點(diǎn)。44 智能水下機(jī)器人的通訊導(dǎo)航定位智能水下機(jī)器人要完成任務(wù)首先需要明確任務(wù)所需到達(dá)的目

31、的地，到達(dá)目的地的路徑以及整個(gè)過程中自己所處的位置。前兩個(gè)問題屬于導(dǎo)航范圍，后一個(gè)問題需要定位技術(shù)的支持，而整個(gè)過程都要依賴先進(jìn)的通訊技術(shù)。441 智能水下機(jī)器人的通訊智能水下機(jī)器人通過水聲通訊和光電通訊方式來(lái)傳輸各類控制指令及各類傳感器、聲納、攝像機(jī)等探測(cè)設(shè)備的反饋信息。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)間延遲，不能保證控制信息作用的即時(shí)性和全時(shí)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(jī)器人的作業(yè)

32、空間。目前世界各國(guó)正積極開發(fā)水下激光通訊， 激光信號(hào)可以通過飛機(jī)和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)以實(shí)現(xiàn)大范圍的通訊，其中海水介質(zhì)對(duì)藍(lán)綠激光的吸收率最小，目前美國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了由空中對(duì)水下 100 m左右深度的潛艇進(jìn)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(jī)器人上還有一定距離。442 智能水下機(jī)器人的導(dǎo)航定位智能水下機(jī)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(jī)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

33、時(shí)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)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(jī)器人主要依賴于航位推算進(jìn)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，但它存在致命的缺陷，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)航行后會(huì)產(chǎn)生非常明顯的方位誤差，所以整個(gè)過程中隔一段時(shí)間就需要重新確認(rèn)方位，修正后繼續(xù)進(jìn)行推算。目前智能水下機(jī)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(jìn)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

34、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)航的精度，而且還提高了整個(gè)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(jī)器人依然能夠工作。其中將多種數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、過濾和融合的方法仍在不斷的改進(jìn)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(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(huì)占用任務(wù)時(shí)間而且會(huì)使行動(dòng)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(shí)更新的電子海圖的情況下

35、，是目前非常理想的高效率、高精度導(dǎo)航方式，美國(guó)海軍已經(jīng)將其廣泛應(yīng)用于潛艇的導(dǎo)航 7I 。未來(lái)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(bǔ)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(cè)與識(shí)別智能水下機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)“智能”就不能“閉塞視聽”，它需要時(shí)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(cè)與識(shí)別就相當(dāng)于智能水下機(jī)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(cè)與識(shí)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

36、能見度的影響很大，綜合來(lái)看其可接受的識(shí)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(jī)器人可利用的級(jí)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(cè)與識(shí)別的手段。此項(xiàng)技術(shù)目前在美國(guó)已有應(yīng)用，中國(guó)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(jī)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(cè)與識(shí)別領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。根據(jù)信息類型不同可分為

37、兩類：基于聲回波信號(hào)探測(cè)識(shí)別和利用聲納圖像探測(cè)識(shí)別。 基于聲回波信號(hào)的探測(cè)技術(shù)原理類似于空中利用雷達(dá)反射波進(jìn)行目標(biāo)識(shí)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(hào)的強(qiáng)度、頻譜、包跡等特征對(duì)預(yù)設(shè)類別的目標(biāo)，例如水面艦船和潛艇進(jìn)行探測(cè)識(shí)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(cè)識(shí)別技術(shù)成為目前水下探測(cè)識(shí)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(wú)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(cè)與識(shí)別的難度。 為了使獲得的圖像擁有適用的分辨率，需

38、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(gè)限制因素。聲波在水中傳播是沿體積擴(kuò)散的，并且海水介質(zhì)對(duì)聲波能量的吸收隨著聲波中心頻率的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)二次方的增長(zhǎng)，海水將會(huì)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〞?huì)有較大的衰減，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(shí)別理論，聲納圖像中的目標(biāo)一般呈點(diǎn)狀和塊狀，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別時(shí)，依據(jù)目標(biāo)信息圖像的大小用開變換方法進(jìn)行預(yù)處理，即能得到可利用的識(shí)別信息。由于海洋環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，對(duì)水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的技術(shù)應(yīng)用有很大的限制，以至于可應(yīng)用的手段也非常有限。從技術(shù)上來(lái)說，聲探測(cè)技術(shù)容易

39、實(shí)現(xiàn)，并且探測(cè)距離較遠(yuǎn)，到目前為止仍是主要的水下目標(biāo)探測(cè)手段，而基于聲納圖像的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)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(cè)與識(shí)別手段，激光成像水下目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別技術(shù)是中國(guó)目前努力研究的方向。4。6 智能水下機(jī)器人的動(dòng)力能源隨著水下機(jī)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(jī)器人擁有良好的機(jī)動(dòng)性和操控性，有時(shí)還需要執(zhí)行高抗流作業(yè)和長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)等任務(wù)，對(duì)水下機(jī)器人續(xù)航力的需求逐漸增強(qiáng)。早期的水下機(jī)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(jià)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(jī)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(gè)小時(shí)提升到了幾