2024波浪能量采集及自供能海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)研究進(jìn)展

波浪能量采集及自供能海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)研究進(jìn)展目錄TOC\o"1-3"\h\u31028 3268121 3303012 9104263 13286954 14海洋環(huán)境傳感器、航行器/機(jī)器人等無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)是人類探索與開(kāi)發(fā)海洋的重要工具,在海洋監(jiān)測(cè)[1]、海洋作業(yè)[2]、海洋科考[3]等方面發(fā)揮著重要作用.海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)一般攜帶電池供能,電量有限限制了無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)與范圍.盡管可以布置充電基站或供電船等為無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)補(bǔ)充電能,但是這些設(shè)備設(shè)施一方面實(shí)施難、成本高,另一方面也限制了無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的靈活性[4].長(zhǎng)期有效供能是制約海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)探索深海遠(yuǎn)海的瓶頸難題.生能源之一.波浪能的能量密度高于風(fēng)能和太陽(yáng)能1~2個(gè)數(shù)量級(jí),而且不受晝夜變化影響[5].將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,可以實(shí)現(xiàn)海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的自供能傳感、控制與驅(qū)動(dòng),有望破解海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)供能瓶頸難題此外隨著化石能源面臨著枯竭和嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[6-8],開(kāi)發(fā)海洋能源能夠緩解能源危的研究進(jìn)展,討論目前自供能海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并進(jìn)行展望,為解決海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)長(zhǎng)期有效供能難題提供多維度參考,推動(dòng)自供能傳感、控制與驅(qū)動(dòng)等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,助力海洋

海洋蘊(yùn)涵豐富的能源,包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和潮汐能等,與太陽(yáng)能和風(fēng)能相比,功率密度大、可持續(xù)性高且分布廣等特點(diǎn)[11],能為海上設(shè)備提供動(dòng)力支持以及大陸電網(wǎng)傳輸電能[12].如表1所示,中國(guó)擁有300萬(wàn)平方千米的海域,波浪能理論儲(chǔ)量為5.74×1011kW[13].發(fā)展波浪能技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)意義.機(jī)械能,然后通過(guò)機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)化為電能[14-15].波3個(gè)階段,1階段是將波浪能轉(zhuǎn)換為勢(shì)能2階段是將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,最1中國(guó)海洋能資源儲(chǔ)量Table1China'smarineenergyresourcesEnergy Theoreticalreserves/kWAvailablewave5.74×5.78×oceanthermal3.66×3.66×tidal1.10×2.18×oceansalinity1.14×1.14×tidalcurrent1.40×4.19×totaloceanenergy 6.11× 9.81×

轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).Chen等[23]開(kāi)發(fā)了一種混合波?流(圖2(b)),通過(guò)錐齒輪、單向軸承等組合將海面波浪和海下洋流能量同時(shí)轉(zhuǎn)換為電能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種混動(dòng)提高了電力輸出.Overtoppingtype(b)Oscillatingcolumn13

(c)Oscillatingbodytype

度大,Fig.1Threetypesofwavedriving機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制在波浪能量采集中具有重要作用.本節(jié)將基于機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制論述波浪能量采集方法,包括電磁波浪能量采集方法、壓電波浪能量采統(tǒng)中的永磁體與線圈產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而發(fā)電[17].慣量扇形質(zhì)量擺集成在海洋浮標(biāo)中可以有效采集低頻波浪能量15.9V,0.13W[18Li等[19設(shè)計(jì)了一種全方位波浪能量采集系統(tǒng)通過(guò)直立式水平擺結(jié)構(gòu)俘獲波浪能量其輸出電能波形能夠反映波浪狀況,可作為自供能傳感器波浪激勵(lì)不規(guī)則、頻率低,一般需要通過(guò)機(jī)械和輸出電能品質(zhì)[20].Liang等[21]提出了一種具有機(jī)械運(yùn)動(dòng)整流功能的波浪能量采集器,通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)和單向軸承組合,將波浪激勵(lì)整流為單向旋轉(zhuǎn)]

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)電磁波浪能量采集性能具有關(guān)鍵影響.一般電磁波浪能量采集系統(tǒng)輸出功率較高,但體積較大,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜和成本較高.換為電能,波浪直接或間接驅(qū)動(dòng)壓電材料變形導(dǎo)致電偶極矩變化產(chǎn)生電壓[24].壓電能量采集功率密度較高,尤其設(shè)計(jì)很靈活,因此,壓電能量采集已經(jīng)成為將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的主要方式之一[25-26].壓電能產(chǎn)生較大振幅從而輸出較高功率[27-30].Chen等[31]提出了一種壓電波浪能量采集器,由浮體、齒輪升(圖3(a)).Viet等[32]通過(guò)彈簧質(zhì)量系統(tǒng)將波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng),然后通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)放大作用于壓電材料從而發(fā)電.磁力耦合也常用于驅(qū)動(dòng)壓電懸臂梁.Shi等[33]提出了一種多向超低頻壓電振動(dòng)能量采集器.波浪激勵(lì)球滾動(dòng),球滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn),環(huán)通過(guò)磁力驅(qū)動(dòng)壓電懸臂梁振動(dòng)發(fā)電He等[34設(shè)計(jì)了一種圓柱和錐形浮體結(jié)構(gòu)的壓電波浪能量采集器,浮體低頻上下運(yùn)動(dòng)通過(guò)Du等[35]在振蕩水柱式波浪能量采集器中采用(圖3(b)),壓電膜在脈動(dòng)氣壓作用下變形并產(chǎn)生電能Chen等[36開(kāi)發(fā)了一種壓電波浪能量轉(zhuǎn)換器,由浮體、升頻機(jī)構(gòu)和壓(圖3(c))通過(guò)柔性壓電膜振動(dòng)發(fā)電,壓電6倍,從而可以提高waveimputwaveimputgenerationinputtranslationScrewelectromagneticwaveenergyharvesting[22]

Bevelgearmechanicalrectificationelectromagneticwaveenergyharvesting[23]

度高和成本低等優(yōu)點(diǎn).然而目前壓電波浪能量采集器輸出功率仍然較低.2Fig.2Electromagneticwaveenergy

頻波浪激勵(lì)轉(zhuǎn)換為高頻激勵(lì),匹配壓電能量采集器從而提高輸出功率.piezoelectriccantileverbeamsgeartraingeargearairwatercolumngearpiezoelectricgearedgear3壓電波浪能量采集(a基于壓電懸臂梁的波浪能量采集[31(b振蕩水柱式壓電波浪能量采集[35(c基于壓電膜的波浪能量采集方法[36];(d)壓電材料與太陽(yáng)能水凝膠集成[38]Fig.3Piezoelectricwaveenergyharvesting.(a)Waveenergyharvestingbasedonpiezoelectriccantileverbeam[31];(b)Oscillatingwatercolumnpiezoelectricwaveenergyharvesting[35];(c)Waveenergyharvestingbasedonpiezoelectricdiaphragm[36];(d)Integrationofpiezoelectricmaterialsandsolarhydrogel[38]寬頻波浪能量[37].此外,壓電能量采集設(shè)計(jì)靈活,比(圖3(d)),可以提高海水凈化速度[38].壓電材料將波浪能轉(zhuǎn)化為電能重新激活水凝膠中的水與非壓電水凝膠海水凈化器相比,23%以上.摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectricnanogenerator,能[39-41].摩擦納米發(fā)電機(jī)在低頻工況下表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)化效率,具有高功率密度、高效率、低重量和低制造成本的優(yōu)點(diǎn)[42-43].摩擦納米發(fā)電機(jī)具有4種頻激勵(lì)但是面對(duì)極低頻率波浪激勵(lì)工況仍然需要升頻提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率Jung等[45設(shè)計(jì)了一種倍頻0.33Hz波浪頻率下6.67W/m3,并驗(yàn)證了具備為海洋觀測(cè)系統(tǒng)供電的能力.Zhang等[46]

型波浪能量采集器,可以有效俘獲低頻波浪能量.Gao等[47]設(shè)計(jì)了一種陀螺結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī),用于采集低頻波浪能量.內(nèi)部和外部發(fā)電單元可以在不同方向上獨(dú)立運(yùn)動(dòng)互不干擾發(fā)電.6m/s2的加速度激勵(lì)下,內(nèi)部和外部發(fā)電單元的開(kāi)路電壓分730V160V.波浪激勵(lì)隨機(jī)不規(guī)則,很多學(xué)者提出了多方向波浪能量采集設(shè)計(jì).Wang等[48]提出了一種仿生蝴(圖4(b)),仿生葉片具有阻的頻率下,400V2.9μA的電學(xué)響應(yīng).Qu等[49設(shè)計(jì)了一種球形偏心結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī),球殼內(nèi)設(shè)置了十二面體結(jié)構(gòu),用于全向波浪能量采集,有效地將不同方向波浪能量轉(zhuǎn)換為電能,并設(shè)計(jì)了能量管理電路處理和存儲(chǔ)產(chǎn)生的電能.Wen等[50]瓣摩擦納米發(fā)電機(jī)和2個(gè)花蕊摩擦納米發(fā)電機(jī)組成6個(gè)自由度的動(dòng)能.Liu等[51提出一種(圖4(d)),由一個(gè)內(nèi)球和一個(gè)環(huán)面殼組成,spingsteel 4基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的波浪能量采集(a)滾筒式摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集[45(b)仿生蝴蝶式摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集仿生蓮花式摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集[50];(d)環(huán)面球摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集Fig.4WaveenergyharvestingbasedonTENG.(a)WaveenergyharvestingbasedoncylindricalTENG[45];(b)WaveenergyharvestingbasedonbionicbutterflyTENG[48];(c)WaveenergyharvestingbasedonbioniclotusTENG[50];(d)Waveenergyharvestingbasedontoroidalsphere[51]出電壓及豐富的材料來(lái)源等優(yōu)點(diǎn),且由于摩擦納米發(fā)電機(jī)主要由高分子材料制成,具備優(yōu)良的抗腐蝕能力,可以在更小的空間和更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)中將各種波浪能轉(zhuǎn)換為電能.高分子材料作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的組成部分可能會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成污染,采用綠色環(huán)保可降解的摩擦納米發(fā)電機(jī)材料,在設(shè)計(jì)波浪換機(jī)制的特性,增加輸出電能使用靈活性和輸出功率[52-54摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)阻高輸出電壓高、電流小;電磁發(fā)電機(jī)內(nèi)阻低,輸出電壓低、電流大.摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)復(fù)合常用于波浪能量采集[55].Ouyang等[56]

運(yùn)動(dòng)通過(guò)電磁感應(yīng)發(fā)電,并通過(guò)磁力耦合作用激勵(lì)摩擦納米發(fā)電機(jī)接觸和分離發(fā)電.Sun等[57]提出了一種擺動(dòng)平移復(fù)合發(fā)電機(jī)采集海岸線上的波浪能(圖5(b))波浪激勵(lì)驅(qū)動(dòng)滑軌中的永磁體滑動(dòng)電磁感應(yīng)發(fā)電,同時(shí)驅(qū)動(dòng)多層摩擦納米發(fā)電機(jī)接觸和分離發(fā)電.Wang等[58]提出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁與摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集器,摩擦納米發(fā)電機(jī)4個(gè)腔室通過(guò)獨(dú)立層模式發(fā)電.電磁發(fā)電機(jī)的永磁體嵌入靠近腔壁的折紙上,而線圈設(shè)置在腔壁上能夠在寬頻波浪激勵(lì)下有效工作Han等[59]提出一種雙面絨和海爾貝克結(jié)構(gòu)的復(fù)合發(fā)電機(jī),利用絨毛增強(qiáng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的性能,海爾貝克增強(qiáng)量采集器復(fù)合使用可以提高空間利用率[60].一種基于雙擺結(jié)構(gòu)的復(fù)合波浪能量采集器被提出,acrylicsphericalacrylicsphericalCuslideside(a)Hybridwaveenergyharvestingbasedonpermanentmagnetsphere[56]

(b)基于擺動(dòng)彈簧的復(fù)合波浪能量采集(b)Hybridwaveenergyharvestingbasedonoscillatingspring[57]5Fig.5Waveenergyharvestingbasedonhybridelectromechanicalconversion個(gè)電磁發(fā)電機(jī)、兩個(gè)壓電發(fā)電機(jī)和兩個(gè)折紙結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī),3類機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制合理布置提高了空間利用率[61].壓電能量采集器、摩擦電納米

大應(yīng)變、最大接觸面積和最大位移的地方,可以充分利用它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)空間中的特性[62].幾類波浪能力采集器在相應(yīng)激勵(lì)下的輸出功率或功率密度列與2.2Table2ComparisonofwaveenergyharvestingElectromechanicalconversionPowerLiet1Hz,2005200.66Panet1.5Hz,5064.40.3Liet400~8000.130.21Shiet0.9Hz,706.32Heet141.5Junget0.331170.69Quet2Hz,900.22OuyangetTENG&1Hz,1200.76mW79HanetTENG&1.45.2mW,43.62.02W/m3,16.96注*Note:*meansaveragepoweroraveragepower海域遼闊,長(zhǎng)期有效供能是制約海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)探索深海遠(yuǎn)海的瓶頸難題.海洋充電基站或供電船等為無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)補(bǔ)充電能,但是這些設(shè)備設(shè)施一方面實(shí)施難、成本高,另一方面也限制了無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的靈活性海洋蘊(yùn)涵豐富的能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能和潮汐能等.太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)商業(yè)化發(fā)展較為成熟但太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)受地區(qū)、晝夜影響較大,同時(shí),

較大的安裝面積,這將在一定程度上增加海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的體積,不利于小型化.與太陽(yáng)能和風(fēng)能等相比,波浪能具有功率密度大、可持續(xù)性高和分布廣等特點(diǎn).將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,可以實(shí)現(xiàn)海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)的自供能傳感、控制與驅(qū)動(dòng),有望破解海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)供能瓶頸難題.為海洋無(wú)人機(jī)電系降低對(duì)海洋無(wú)人機(jī)電系統(tǒng)工作的影響,需要兼顧構(gòu)浮標(biāo)所處的海洋環(huán)境具有風(fēng)能、太陽(yáng)能和波浪能等.波浪能量高度集中在海面以及接近海面的水層,而海洋浮標(biāo)分布的位置正好位于此范圍內(nèi),波浪能更自然地進(jìn)入海洋浮標(biāo).海洋浮標(biāo)可以高效地采集Wang等[66提出了一種可集成于浮標(biāo)內(nèi)部的可堆疊摩擦納米發(fā)電機(jī),波浪激勵(lì)浮標(biāo)在水平面上擺動(dòng)從而推動(dòng)PTFE小球滾動(dòng)發(fā)電,能為溫度傳感器、PH傳感器、鹽度傳感器等海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器供電.Wang等[67]還提出一種內(nèi)置于海洋浮標(biāo)的波浪能量采集器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明波浪能量采集器能1.4W的平均功率,為大多數(shù)小功耗傳感器供能.Liang等[68]設(shè)計(jì)了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)用于水位報(bào)警的自供能浮標(biāo).摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電單元使用電荷激發(fā)模塊,從而大大增強(qiáng)了球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能,輸出電流和輸出功率可達(dá)到15.09mA24.48mW成功實(shí)現(xiàn)了自供能水位報(bào)警Xie等[69]設(shè)計(jì)了一種振蕩浮標(biāo)波浪能量采集器圓柱形浮標(biāo)倒立安裝俘獲波浪能浮標(biāo)上下運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電磁發(fā)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)發(fā)電,產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容中,為跨海大橋健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器供電.Zhao等[53提出一種機(jī)械智能電磁?摩擦復(fù)合波浪能量采集器,如圖6所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該能量采集器能夠在超低頻下有效工作,6min內(nèi)將0.47F5V,PH值、6自供能海洋環(huán)境傳感器Fig.6Selfpoweredmarineenvironmental

組成.水面浮子在波浪激勵(lì)下通過(guò)系繩拉扯水下滑翔機(jī),同時(shí)水下滑翔機(jī)上可翻轉(zhuǎn)機(jī)翼發(fā)生翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生一直向前的驅(qū)動(dòng)力.Tian等[70]提出了一種混合滑翔機(jī),混合滑翔機(jī)由波浪能和太陽(yáng)能供能,可根據(jù)不同波浪能量采集器可以安裝在水下航行器/機(jī)器人的內(nèi)部或者外部.安裝在外部的波浪能量采集器能獲得較大波浪激勵(lì),但波浪沖擊較大以及導(dǎo)致外部阻力增加.安裝在內(nèi)部的波浪能量采集器具有更高的可靠性和穩(wěn)定性Townsend等[71提出了一種用于水下機(jī)器人的波浪能量采集系統(tǒng),波浪激勵(lì)框架飛輪陀螺響應(yīng)實(shí)現(xiàn)從波浪能到電能的轉(zhuǎn)換.水下測(cè)試表明0.1m的情況下,該系統(tǒng)的最3.58W.換,浮子通過(guò)纜繩與自主水下機(jī)器人主體相連接,當(dāng)波浪激勵(lì)浮子上下運(yùn)動(dòng)時(shí),浮子帶動(dòng)纜繩驅(qū)動(dòng)自主水下機(jī)器人內(nèi)置的發(fā)電機(jī)發(fā)電.實(shí)驗(yàn)表明,水下航行20kmChen等[73]設(shè)計(jì)了一種裝備在可在俘能模式與機(jī)器人模式之間切換,可折疊翼波thewave-poweredunmannedvehiclegeneratorthecable-pulley(a)集成波浪能量采集系統(tǒng)的水下航行器(a)Underwatervehicleintegratedwithwaveenergyharvestingsystem[72]7自供能航行器/Fig.7Self-poweredPTOrectifierstepperPTOrectifiersteppermotorballconnectingguidethree-layer(b)可折疊翼波浪能量采集系統(tǒng)(b)Waveenergyharvestingsystemwithfolding7自供能航行器/(續(xù))Fig7Self-poweredvehicles(continued)

海洋環(huán)境傳感器、航行器/機(jī)器人等無(wú)人機(jī)電態(tài)探測(cè)和監(jiān)測(cè)、海洋作業(yè)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)等,有益于海洋生態(tài)保護(hù)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋權(quán)益維護(hù)[74-75].如圖8所示,海洋環(huán)境機(jī)電系統(tǒng)根據(jù)能否自,surfacesurfacevehicleoceansignalunderwaterunderwatervehiclebionicunderwaterdeep-seasoftremotelyoperated8Fig.8Unmannedelectromechanicalsystemsinmarine海洋是地球氣候調(diào)節(jié)、碳循環(huán)不可或缺的部分,海洋監(jiān)測(cè)對(duì)預(yù)測(cè)大氣變化、可持續(xù)利用海洋資源具有重要作用[77].海洋傳感器可以與船舶、浮標(biāo)、水下設(shè)備和海上平臺(tái)集成,收集信息以服務(wù)防災(zāi)[78]、海洋科考[79]、船舶設(shè)計(jì)及導(dǎo)航[80]、海洋監(jiān)測(cè)]等.浮標(biāo)是指浮在海面上的標(biāo)志物,傳統(tǒng)上用于警示危險(xiǎn)、指引航道.現(xiàn)代浮標(biāo)與雷達(dá)、船舶、衛(wèi)星

一個(gè)全球多學(xué)科海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),Argo浮標(biāo)組成配備了廣泛的生物地球化學(xué)傳感器將提光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐極端溫度和壓力、重量輕、傳輸速率高、體積小和靈活等優(yōu)點(diǎn),在海洋環(huán)境和海洋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注.Shen等[84]研制一種船載光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá),利用光子計(jì)數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度后向散射信號(hào)測(cè)量,具有觀測(cè)深層海水光學(xué)特性的潛力.Wang等[85]度和深度剖面.通過(guò)對(duì)光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu)的研究,解決了傳統(tǒng)光纖光柵傳感器在測(cè)量海水溫度務(wù)的理想選擇與剛性傳感器相比它具備更高的靈活性和可靠性,并能自主完成自組裝和自驅(qū)動(dòng)的功能由于其低能耗的特性軟傳感器在水下環(huán)境中表現(xiàn)出了更為出色的性能,具有廣闊的應(yīng)用前景[86].署.隨著微/小型電子產(chǎn)品能耗降低,使得海洋能量需求,擺脫電池電量和線纜的限制.無(wú)人水面航行器(unmannedsurfacevehicle,USV)是無(wú)需或者少量人力干預(yù)的水面航行器能靈活布置在海洋不同區(qū)域,具有可靠、快速和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),可以執(zhí)行監(jiān)測(cè)海洋參數(shù)、排查魚(yú)雷和海岸巡邏等各種任務(wù)[87-88],極大地降低了人類風(fēng)險(xiǎn)并

和海流.Wang等[90]設(shè)計(jì)了一支自主無(wú)人水面航行(圖9(b)),每一個(gè)無(wú)人水面航行器具有規(guī)則形狀利于相互連接,并設(shè)計(jì)一種十字型推進(jìn)器進(jìn)行推進(jìn),此設(shè)計(jì)可構(gòu)成海洋表面移動(dòng)平臺(tái).近年來(lái),隨著應(yīng)用環(huán)境愈加復(fù)雜,人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅比如,Wang等[93]提出了統(tǒng)一框架有機(jī)結(jié)合了路徑規(guī)劃和導(dǎo)航系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人水面航行器在受限探討了近端策略優(yōu)化的潛力,使無(wú)人水面航行器能通過(guò)振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)兩棲運(yùn)動(dòng),避免了傳統(tǒng)兩棲機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題.Li等[96設(shè)計(jì)了一種跨越空中水下的仿生?(圖9(d)).仿生?魚(yú)機(jī)器人具有被動(dòng)變形的螺旋槳,0.35s eccentricupflexibleartificialhydraulicrigidsoft9無(wú)人水面航行器(a小型自主水面航行器[89(b自主水面航行器艦隊(duì)單元[90(c振動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩棲機(jī)器人[95(d仿?魚(yú)兩棲機(jī)器人[96]Fig9Unmannedsurfacevehicles(aSmallautonomoussurfacevehicle[89(bFleetunitofautonomoussurfacevehicle[90(cVibrationdrivenamphibiousrobot[95];(d)Aremora-likeamphibiousrobot[96]有纜水下機(jī)器人,也可稱之為遙控水下機(jī)器人(remotelyoperatedvehicle,ROV)是通過(guò)纜線與海上操作平臺(tái)連接的水下機(jī)器人.有纜連接使得水下機(jī)器人獲得源源不斷的能源,使其能裝備較大的、需要較高功率的操作設(shè)備從而功能更強(qiáng)大比如采集生物樣本、開(kāi)采海底礦產(chǎn)和繪制海底三維模型等[97].但海上操作平臺(tái)也面臨能源補(bǔ)給困難、供能不足的問(wèn)題,

供能提高其續(xù)航能力減少維護(hù)成本Chaloux等[98](圖10(a))通過(guò)推進(jìn)器的強(qiáng)大吸力捕獲魚(yú)類.切割有纜水下機(jī)器人被研制用于開(kāi)采位于海底火山附近的塊狀硫化物(圖10(b)),切割有纜水下機(jī)器人由位于船舶上的作4m寬刀片切割目標(biāo)物[99].有纜水下或石油管道(圖10(c))并追蹤石油礦場(chǎng)的石油泄漏、海底天然氣管道的氣體泄漏,保護(hù)水下生態(tài)系10有纜水下機(jī)器人(a用于魚(yú)樣采集有纜水下機(jī)器人[98(b切割型有纜水下機(jī)器人[99(c探測(cè)有纜水下機(jī)器人[100(d具有光學(xué)定位系Fig.10Remotelyoperatedvehicles.(a)Remotelyoperatedvehicleforfishsampling[98];(b)Cut-outremotelyoperatedvehicle[99];(c)Remotelyoperatedvehiclefordetection[100];(d)Remotelyoperatedvehiclewithopticalpositioningsystem[104]下機(jī)器人的可操作性[101].保持線纜拉力使之保持直線狀態(tài)可以避免纏繞[102].Rahimuddin等[103]在有纜水下機(jī)器人頂部設(shè)置浮力結(jié)構(gòu)在底部加重浮心在機(jī)器人良好的穩(wěn)定性.Lund-Hansen等[104]設(shè)計(jì)了具用于測(cè)量和采樣.Xu等[105]提出了用于有纜水下機(jī)器人的定點(diǎn)吸附器,提高了有纜水下機(jī)器人操作效率.Gladkova等[106]使用里程計(jì)平均數(shù)據(jù)推算路徑自主水下機(jī)器人(autonomousunderwatervehicle,AUV)是集先進(jìn)制造技術(shù)、智能材料、水下

導(dǎo)航和決策的水下機(jī)器人[107-108自主水下機(jī)器人擺脫了線纜限制能探索更深更遠(yuǎn)但需要自帶能源裝備或者增加自供能設(shè)備來(lái)支撐其航行.自主決策的功能使水下自主機(jī)器人能適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境,提Fernandez等[110]設(shè)計(jì)了一種自主水下機(jī)器人(圖11(a)),可以檢查和探測(cè)淹沒(méi)的礦井隧道網(wǎng)絡(luò)德國(guó)智能人工智能中心[111研制了名為“DAGON”的自5個(gè)推進(jìn)器,主要用于創(chuàng)建視覺(jué)地圖和即時(shí)定位.Iscar等[112]開(kāi)發(fā)了開(kāi)源、低成本自主水下機(jī)器人的推進(jìn)器方面進(jìn)展迅速,具有更強(qiáng)的推進(jìn)力、機(jī)動(dòng)性以及狹小空間作業(yè)能力.conceptofMAG-presurecaudalendMCM-Doppler acrylicshullbattery acrylicsdomemetallicbraceMCM-11自主水下機(jī)器人.(a)礦井隧道探測(cè)自主水下機(jī)器人[110(b)DAGON[111(c)DaryaBird[115(d)基于線性肌肉調(diào)節(jié)的自主水下機(jī)器人Fig.11Autonomousunderwatervehicles.(a)Autonomousunderwatervehicleforminetunneldetection[110];(b)DAGON[111];(c)(d)AutonomousunderwatervehiclebasedonlinearmuscleGu等[113]提出了一種球形自主水下機(jī)器人,其具有矢量水射流和螺旋槳推進(jìn)器的混合推進(jìn)裝置,混合推力器的最大推力比單推進(jìn)器增加了2.27倍.Wang等[114]提出了一種盤(pán)狀自主水下機(jī)器人,其由4個(gè)螺旋槳和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的推進(jìn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高工作效率和增強(qiáng)續(xù)航能力.Hidaka等[115]設(shè)計(jì)了一款名為“DaryaBird”(圖11(c))實(shí)現(xiàn)了模塊化易于實(shí)現(xiàn)多種探測(cè)功能,且能在線纜連接的情況下工作.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)了一類遠(yuǎn)程自主水下機(jī)器人“Explorer1000AUV”,其有兩個(gè)高精度可變浮力系統(tǒng),因此它可以執(zhí)行兩種工作模式:自主水下機(jī)器人在一定固定位置進(jìn)行往復(fù)剖面觀測(cè)的定點(diǎn)觀測(cè)模式,以及自主水下機(jī)器航觀測(cè)模式[116Wang等[117提出一種用于自主水下(圖11(d))其可驅(qū)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和尾部的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,增大內(nèi)部可利用空間.

自主水下機(jī)器人主要用來(lái)執(zhí)行探測(cè)任務(wù),傳感器以及探測(cè)技術(shù)顯得尤為重要.為了節(jié)省設(shè)計(jì)中的優(yōu)化時(shí)間,從生物中獲取靈感來(lái)解決工程問(wèn)題是較交互性和低成本優(yōu)勢(shì),在海洋環(huán)境具有廣泛的應(yīng)用仿生機(jī)器魚(yú)可以通過(guò)身體和尾鰭實(shí)現(xiàn)游動(dòng)(圖12(a))[120-121].Zhang等[122]提出兩段尾鰭推進(jìn)方法,與現(xiàn)有單一尾鰭設(shè)計(jì)相比,兩段尾鰭推進(jìn)在穩(wěn)定性和可控范圍方面具有優(yōu)異性能.Li等[123]提出了一種多尾全方位水下機(jī)器人結(jié)合了魚(yú)類、青蛙、章魚(yú)、魚(yú)群等不同運(yùn)動(dòng)模式.Christianson等[124]提出了一種鰭狀介質(zhì)彈性體致動(dòng)器的設(shè)計(jì),具有驅(qū)動(dòng)應(yīng)變大、響應(yīng)速度快、噪音低和效率高等特點(diǎn).Shintake等[125]設(shè)計(jì)了一種基于介電彈性體驅(qū)動(dòng)器的仿生軟體機(jī)器魚(yú),通過(guò)身體和尾鰭推進(jìn)游動(dòng).Li等[126]受深海獅子魚(yú)啟發(fā),開(kāi)發(fā)了一種深海軟體機(jī)器neckdorsalDEmuscleatjointelectronicinmatrixsiliconefilmflappingcanistersforpowerandelectronicssubsystemsSILsamplingsensorized12仿生軟體機(jī)器人.(a)仿生機(jī)器魚(yú)[121];(b)深海軟體機(jī)器人[126];(c)仿生水下多足機(jī)器人[130];(d)軟體機(jī)械手Fig.12Biomimeticsoftrobot.(a)Bionicroboticfish[121];(b)Deepseasoftrobot[126];(c)Bionicunderwatermulti-legged(d)Soft(圖12(b)),將電子設(shè)備封裝在硅膠基質(zhì)中,減小深海高壓的影響,使用重量輕的介電彈性體作為致動(dòng)器,證明了軟材料在極致壓力下正常工作的巨大此外,也有一些其他方式被用于軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)Armanini等[127受鞭毛生物啟發(fā)設(shè)計(jì)了水下推進(jìn)器,通過(guò)簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力.Zhang等[128]采用柔性磁性復(fù)合材料制作驅(qū)動(dòng)器通過(guò)磁場(chǎng)