水下機(jī)器人-過去現(xiàn)在和未來

1、水下機(jī)器人過去、現(xiàn)在和未來海洋作為人類的藍(lán)色國土，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，這是人類面臨的更現(xiàn)實(shí)的問題。從 20世紀(jì)后半葉起，水下機(jī)器人經(jīng)歷了從誕生、發(fā)展、到開始走向應(yīng)用的歷程。21世紀(jì)，伴 隨著人類認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)利用海洋資源和保護(hù)海洋的進(jìn)程，水下機(jī)器人這一高新技術(shù)將進(jìn)一 步發(fā)展并更加完善，21世紀(jì)將是水下機(jī)器人廣泛應(yīng)用的世紀(jì)。1關(guān)于海洋在浩瀚的宇宙中，有一個(gè)蔚藍(lán)色的星球，那是人類賴以生存的地方一一地球。地球的 表面積為5.1億平方公里，而海洋的面積為3.6億平方公里。地球表面積的71%被海洋所 覆蓋。在煙波浩渺的海洋深處，蘊(yùn)藏著什么樣的寶藏？是否存在著智慧生命？海底生物是怎 樣生活的？海底的地

2、形地貌又是什么樣的？所有這一切都使海洋充滿了神秘的色彩，也吸引 了無數(shù)科學(xué)家、探險(xiǎn)家為之探索。從遠(yuǎn)古時(shí)代起，人們就泛舟于海上。從19世紀(jì)起，人們開始利用各種手段對(duì)海洋進(jìn) 行探察。20世紀(jì)，水下機(jī)器人技術(shù)作為人類探索海洋的最重要的手段，受到了人們普遍的 關(guān)注。進(jìn)入21世紀(jì)，海洋作為人類尚未開發(fā)的處女地，已成為國際上戰(zhàn)略競爭的焦點(diǎn)，因 而也成為高技術(shù)研究的重要領(lǐng)域。毫不夸張地說，本世紀(jì)是人類進(jìn)軍海洋的世紀(jì)。人類關(guān)注海洋，是因?yàn)殛懮系馁Y源有限，海洋中卻蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源、生物資源 和能源。另一個(gè)重要原因是，占地球表面積49%的海洋是國際海底區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的資源 不屬于任何國家，而屬于全人類。但是如

3、果哪一個(gè)國家有技術(shù)實(shí)力，就可以獨(dú)享這部分資源。 因此爭奪國際海底資源也是一項(xiàng)造福子孫后代的偉大事業(yè)。水下機(jī)器人作為一種高技術(shù)手 段，在海底這塊人類未來最現(xiàn)實(shí)的可發(fā)展空間中起著至關(guān)重要的作用，發(fā)展水下機(jī)器人的意 義是顯而易見的。2水下機(jī)器人歷史回顧水下機(jī)器人也稱作潛水器(Underwater Vehicles),準(zhǔn)確地說，它不是人們通常想象的具 有人形的機(jī)器，而是一種可以在水下代替人完成某種任務(wù)的裝置，其外形更象一艘潛艇。水下機(jī)器人的種類很多，其中載人潛水器、有纜遙控水下機(jī)器人(ROV)、無纜水下機(jī) 器人(AUV )是三類最重要的潛水器?；仡櫵聶C(jī)器人的發(fā)展歷史，我們從中可以看到人 類征服海洋的

4、進(jìn)程。最早出現(xiàn)的潛水器是載人潛器，這是人們?cè)谠O(shè)計(jì)潛水球和潛艇微型化的基礎(chǔ)上研制出 來的，主要是替代潛水員在深海中進(jìn)行潛水作業(yè)，可進(jìn)行海洋考察、打撈、水下作業(yè)和救生。 其排水量從幾噸到幾十噸，航速為12.5米/秒，下潛深度為幾百米到一萬米。在載人潛器 上有密封的載人艙室及生命保障系統(tǒng)，可乘坐23人，還有供觀察用的窺視窗，潛水人員 坐在耐壓艙內(nèi)通過視窗對(duì)海底世界進(jìn)行觀察，同時(shí)潛水器內(nèi)還帶有各種測(cè)量儀器、通訊設(shè)備， 并可以攜帶1或2個(gè)機(jī)械手。圖1為早期的載人潛器示意圖。圖2為法國的Nautile載人 潛器。世界上第一臺(tái)載人潛器叫Argonaut the First,是由西蒙萊克于1890年制造 的。

5、從20世紀(jì)60年代中期到70年代中期是載人潛器發(fā)展的鼎盛時(shí)期，其技 術(shù)發(fā)展得較為成熟，此后逐漸進(jìn)入低谷。例如影片泰坦尼克號(hào)中的許多珍貴鏡頭，就是由俄羅斯科學(xué)家利用載 人潛器“和平1號(hào)”、“和平2號(hào)”在水下拍攝的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國、俄羅斯、日本等國先后研制出無人潛 器，即水下機(jī)器人，它比載人潛器要小，也更靈活。按照水下機(jī)器人與母船間有 無電纜連接將其分為有纜遙控水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicles，ROV) 和自治水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle， AUV)。ROV通過電纜由母 船向其提供動(dòng)力，人在母船上通過電纜對(duì)ROV

6、進(jìn)行遙控。而AUV自帶能源，依 靠自身的自治能力來管理和控制自己以完成人賦予的使命。早在20世紀(jì)50年代，有幾個(gè)美國人想把人的視覺延伸到神秘的海底 世界，他們把攝像機(jī)密封起來送到了海底，這就是ROV的雛形。1960年美國研 制成功了世界上第一臺(tái)ROV“CURV1”，如圖3所示，它與載人潛器配合，在 西班牙外海找到了一顆失落在海底的氫彈，由此引起了極大的轟動(dòng)，ROV技術(shù)開 始引起人們的重視。另外，當(dāng)時(shí)發(fā)生的石油短缺使得油價(jià)提高，刺激著近海石油 開發(fā)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了 ROV的迅猛發(fā)展。到了 70年代，ROV產(chǎn)業(yè)已開始 形成，ROV在海洋研究、近海油氣開發(fā)、礦物資源調(diào)查取樣、打撈和軍事等方面

7、都獲得廣泛的應(yīng)用，是目前使用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的一類潛水器。ROV的最大 下潛深度可達(dá)一萬米。圖4和圖5為美國CURV2和CURV3型ROV，這是在CURV1 的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)而產(chǎn)生的功能更完善的ROV。圖 5 CURV3 型 ROV20世紀(jì)50年代末期，美國華盛頓大學(xué)開始建造第一艘無纜水下機(jī)器人一一“SPURV”，這 艘AUV主要用于水文調(diào)查。從60年代中期起，人們開始對(duì)無纜水下機(jī)器人產(chǎn)生興趣。但 是，由于技術(shù)上的原因，致使AUV的發(fā)展徘徊多年。隨著電子、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的飛速發(fā) 展及海洋工程和軍事方面的需要，AUV再次引起國外產(chǎn)業(yè)界和軍方的關(guān)注。進(jìn)入90年代， AUV技術(shù)開始逐步走向成熟。圖

8、6為美國海軍研制的AUV-AUSSoIE 6美國的AUSS3水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)縱觀水下機(jī)器人的發(fā)展歷史，無論是載人潛器還是ROV或AUV，都代 表了一定歷史時(shí)期潛水器技術(shù)發(fā)展的狀況及市場的需求。現(xiàn)階段水下機(jī)器人的發(fā) 展趨勢(shì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) AUV代表了未來水下機(jī)器人研究的方向當(dāng)前在各類水下機(jī)器人研 究中，AUV是一個(gè)熱點(diǎn)，我們可以通過大量的國際會(huì)議了解到當(dāng)前國際上水下機(jī) 器人研究發(fā)展的這種趨勢(shì)。另外，各國對(duì)AUV研究的投資也比其它類型機(jī)器人的 投資要多得多。對(duì)AUV的研究范圍比較廣泛，既包括當(dāng)前的應(yīng)用研究也著眼于 未來進(jìn)行基礎(chǔ)研究，從經(jīng)濟(jì)型到復(fù)雜型，有軍用的也有民用的，幾乎覆蓋了

9、AUV 的各種類型。事實(shí)上，AUV是一種非常適合于海底搜索、調(diào)查、識(shí)別和打撈作業(yè)的 既經(jīng)濟(jì)又安全的工具。在軍事上，AUV亦是一種有效的水中兵器。與載人潛水器 相比較，它具有安全（無人）、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、尺寸小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。而 與ROV相比，它具有活動(dòng)范圍大、潛水深度深、不怕電纜纏繞、可進(jìn)入復(fù)雜結(jié) 構(gòu)中、不需要龐大水面支持、占用甲板面積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)。AUV代表了未來 水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向，是當(dāng)前世界各國研究工作的熱點(diǎn)。當(dāng)前AUV的發(fā)展 趨勢(shì)為更深、更遠(yuǎn)、功能更強(qiáng)大，特別是未來海上作戰(zhàn)等軍事需求的增加，給 AUV的發(fā)展帶來了無限生機(jī)，也預(yù)示著AUV開始走向應(yīng)用階段。更深一一向深海發(fā)展地

10、球上97%的海洋深度在6000米以上，稱之為深海。研制6000米的 潛水器是許多國家的目標(biāo)。美國、俄羅斯、法國、中國等都擁有自己的6000米 級(jí)的AUV。盡管ROV和載人潛器也能達(dá)到這個(gè)深度，但發(fā)展AUV比其它潛器的造 價(jià)要低得多，更經(jīng)濟(jì)。圖7為我國第一臺(tái)6000米自治水下機(jī)器人“CR-01”， 它主要用于太平洋洋底多金屬結(jié)核的調(diào)查。更遠(yuǎn)一一向遠(yuǎn)程發(fā)展AUV的分類方法有幾種，其中一種是按照航程的遠(yuǎn)近分為遠(yuǎn)程和近程 兩類。所謂遠(yuǎn)程是指AUV 一次補(bǔ)充能源連續(xù)航行超過100海里以上，而小于100 海里稱為近程。遠(yuǎn)程AUV涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括能源技術(shù)、遠(yuǎn)程導(dǎo)航技術(shù)和實(shí)時(shí)通信技 術(shù)。因此，許多研究機(jī)構(gòu)都

11、在開展上述關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，以期獲得突破性的 進(jìn)展。也只有在上述關(guān)鍵技術(shù)解決后，才能保證遠(yuǎn)程AUV計(jì)劃的實(shí)施。功能更強(qiáng)大一一向作業(yè)型及智能化方向發(fā)展現(xiàn)階段的AUV只能用于觀察和測(cè)量，沒有作業(yè)能力，而且智能水平也 不高。將來的AUV將引入人的智能，更多地依賴傳感器和人的智能。還要在AUV 上安裝水下機(jī)械手，使AUV具有作業(yè)能力，這是一個(gè)長遠(yuǎn)的目標(biāo)。(2) ROV廣泛應(yīng)用于水下作業(yè)中從1953年世界上出現(xiàn)第一艘遙控潛水器，在近五十年的時(shí)間里，ROV 從誕生到走向?qū)嵱没?。目前全世界ROV的數(shù)量超過1000臺(tái)，是其他各類潛水器 總和的數(shù)十倍，這主要是由于ROV具有以下特點(diǎn)：通過與水面相聯(lián)的電纜向無人遙控潛器提供能源，作業(yè)時(shí)間不受能 源的限制；操作者直接在水面控制和操作ROV，人的介入使得許多復(fù)雜的控制 問題變得簡單；可以用于水下作業(yè)，這一點(diǎn)是現(xiàn)階段AUV無法達(dá)到的。例如ROV與 載人潛器可以協(xié)同作業(yè)，完成對(duì)各種失事飛機(jī)、潛艇等的打撈任務(wù)。4結(jié)語聯(lián)合國發(fā)表的21世紀(jì)議程中指出：“海洋是全球生命支持系統(tǒng)的 一個(gè)