水下機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

1、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(lèi)海洋開(kāi)發(fā)的步伐不斷加快， 水下機(jī)器人技術(shù)作為人類(lèi)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(lèi)。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(lèi)賴(lài)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(kāi)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Φ目臻g。

2、作為藍(lán) 色國(guó)土的海洋密切關(guān)系到人類(lèi)的生存和發(fā)展，進(jìn)入 21 世紀(jì)后，人類(lèi)更 加強(qiáng)烈的感受到陸地資源日趨緊張的壓力， 這是人類(lèi)面臨的最現(xiàn)實(shí)的問(wèn) 題。海洋即將成為人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展的重要基地，是人類(lèi)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(lèi)認(rèn)識(shí)海洋、開(kāi)發(fā)海洋 和保護(hù)海洋的進(jìn)程不斷發(fā)展。 專(zhuān)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(kāi)發(fā)進(jìn)人一個(gè)全新的時(shí) 代，在人類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(mén)戶(hù)” ，是其與遠(yuǎn)方

3、 聯(lián)系的便捷途徑，并且“門(mén)戶(hù)”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(guò)“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(lài)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(lài)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(lài)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(kāi)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(kāi)發(fā)這些資源以接替所剩不

4、多的陸上資源來(lái)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(guó)際海域，這些區(qū)域 內(nèi)全部的資源屬于全體人類(lèi)，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(kāi)采， 這些國(guó)家在其已探明的區(qū)域擁 有優(yōu)先開(kāi)采權(quán)， 相對(duì)于那些沒(méi)有能力開(kāi)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(kāi)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(lèi)2 1 水下機(jī)器人的定義與概述 水下機(jī)器人也稱(chēng)作無(wú)入水下潛水器 (unma

5、nned un derwater vehicles ， UUV，) 它并不是一個(gè)人們通常想象的具有類(lèi)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(lèi)經(jīng)過(guò)自然進(jìn)化，諸多的自身形態(tài)特點(diǎn)是為了滿(mǎn)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(guān)上都有類(lèi)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(yú)類(lèi)的“天下” ，人類(lèi)身體的形態(tài)特點(diǎn) 與魚(yú)類(lèi)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(yú)類(lèi) 的仿生上。目前水下機(jī)器人大部分是框架式和類(lèi)似于潛艇的回轉(zhuǎn)細(xì)長(zhǎng) 體，隨著仿生技術(shù)的不斷

6、發(fā)展，仿魚(yú)類(lèi)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)器人工作在充滿(mǎn)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(lèi)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(lèi)。 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(guò)觀(guān) 察窗直接觀(guān)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(wèn)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

7、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。無(wú)人水下 潛水器就是人們常說(shuō)的水下機(jī)器人，由于沒(méi)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(lèi)。 (1) 有纜水下機(jī)器人，或者稱(chēng)作遙 控水下機(jī)器人(remotely operated vehicle ，簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)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

8、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(chēng)作自 治水下機(jī)器人或智能水下機(jī)器人 (autonomous underwater vehicle ，簡(jiǎn) 稱(chēng)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

9、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(chēng)智能水下機(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(méi)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B. C.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(guò)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

10、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)器人技 術(shù)的發(fā)展方向 L3|。3國(guó)內(nèi)外AUV勺發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)3. 1國(guó)內(nèi)外AUV勺發(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(kāi)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(yú)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)、

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(jìn)，自主式水下航行器得到了大力發(fā)展。由于A(yíng)UV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(guó)家軍事海洋技術(shù)部門(mén)的重視。在過(guò)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(kāi)發(fā)和軍事作戰(zhàn) 的智能水下機(jī)器人不斷問(wèn)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

12、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 Sch001) 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

13、 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)中心 (Marine Technology Center) 等。 美國(guó)海軍研究生院AUVARIES(圖1。見(jiàn)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(jiàn)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)2. 15 m,直徑為0. 59 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(jiàn)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(shí)=1. 852 km/ h），巡航 速度1節(jié)，考察距離30 km,考察時(shí)間50 h，能夠在沒(méi)有支持母船 的情況下,較長(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(jiàn)封 二）長(zhǎng) 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(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 envi

15、ronmental 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(jiàn)封二）。RE MUS600工作深度為256 000 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(kāi)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(kāi)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

16、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(jiàn)封二）的哈爾濱工程大學(xué)“智水一 4”智能水下機(jī)器人在真 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(xiàn)和模擬自主清除目標(biāo)等多項(xiàng)功能。圖 7（見(jiàn)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(guò)各科研機(jī)構(gòu)和大專(zhuān)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(jiàn) 封二）和CR 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

17、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)用中還有較大限制。 相關(guān)領(lǐng)域從國(guó)外購(gòu)買(mǎi)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(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的, 并不適合中國(guó)海域的使用。 所以隨著海洋開(kāi)發(fā)和軍事用途需求的不斷增 長(zhǎng),開(kāi)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)

18、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(guò)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(zhuān)門(mén)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(guò)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

19、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(kāi)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(guò)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

20、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(kāi)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(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(mǎn)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

21、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(kāi)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)器人能夠達(dá)到設(shè)計(jì)速度和 滿(mǎn)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(guò)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)

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(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(mǎn)足海 洋開(kāi)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(jī)器人總體布局和載體結(jié)構(gòu)沒(méi)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(mǎn)足壓力、水密、負(fù)載和速度需求的前提下要實(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?？刂婆c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

24、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(guò)程中分模塊進(jìn)行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(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(lèi)似于魚(yú)

25、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(yú)類(lèi)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

26、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(mǎn)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(kāi)始，人們針 對(duì)如何提升水下機(jī)器人的智能水平，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(kāi)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。4

27、21 人工智能技術(shù)智能水下機(jī)器人的自主性是通過(guò)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(lèi)大腦的智能體系結(jié)構(gòu)， 軟件體系則模 擬人類(lèi)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NASRE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

28、點(diǎn)，目前有 研究機(jī)構(gòu)模擬人類(lèi)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(shuō)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?xún)身?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

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(mǎn) 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| 。4 3 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(xiàn) 性和交叉耦合性

30、， 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 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(xiàn)性和交叉耦合性的前提 下，能夠識(shí)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(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)的目的地， 到達(dá)目的地的路徑以及整個(gè)過(guò)程中自己所處的位置。 前兩個(gè)問(wèn)題屬于導(dǎo) 航范圍，后一個(gè)問(wèn)題需要定位技術(shù)的支持，而整個(gè)過(guò)程都要

32、依賴(lài)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(guò)水聲通訊和光電通訊方式來(lái)傳輸各類(lèi)控制指 令及各類(lèi)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(lài)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)空間。目前世界 各國(guó)正積極開(kāi)發(fā)水下激光通訊， 激光信號(hào)可以通過(guò)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

33、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(wèn)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(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)

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(jī)器人主要依賴(lài)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(guò)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(guò)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(jué)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(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(guò)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(wèn)斷的更新、修 正，更新數(shù)據(jù)可通過(guò)全球定位系統(tǒng)或非傳統(tǒng)方法獲得。通過(guò)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(guò)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(mén)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，是目前非常 理想的高效率、高

36、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(tīng)” ，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(tīng)、觸覺(jué)”，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(guò)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(jiàn)度

37、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(guò)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(méi)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(lèi)

38、型不同可分為兩類(lèi)：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(lèi)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(kāi) 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(lèi)系統(tǒng)，通過(guò)回波信號(hào) 的強(qiáng)度、頻譜、包跡等特征對(duì)預(yù)設(shè)類(lèi)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(xiàn)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

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(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(méi)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(kāi)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

40、應(yīng)用的手段也非常有限。從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，聲探測(cè)技術(shù)容易實(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)提升到了幾十小時(shí)甚至是上百小時(shí)， 但仍離智能水下機(jī)器人 的需求有一定差距；而且鎳錳電池體積和質(zhì)量過(guò)大，造成機(jī)器人質(zhì)量增 大和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，給機(jī)器人的設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)很多不便。目前急需開(kāi) 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)器人能夠達(dá)到設(shè)計(jì)速度和滿(mǎn)足多自由度機(jī)動(dòng)要求，其 中優(yōu)化機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)， 使其在保證預(yù)定速度和機(jī)動(dòng)要求的情況下效 率最高、能耗最小，也對(duì)提升續(xù)航力有可觀(guān)的貢獻(xiàn)。 5智能水下機(jī)器