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水下机器人发展趋势

2015/8/21    来源:互联网    作者:徐玉如  李彭超      
关键字:水下机器人  智能水下机器人  智能体系  
随着人类海洋开发的步伐不断加快,水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。作者对水下机器人进行了定义与分类,介绍了近年来国内外水下机器人的发展现状与发展趋势,重点针对智能水下机器人的主要关键技术及未来发展方向进行了分析。

    地球的表面积为5.1亿km2,而海洋的面积为3.6亿km2。占地球表面积71%的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间——陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间,是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地,不但是目前最现实的,而且是最具发展潜力的空间。作为蓝色国土的海洋密切关系到人类的生存和发展,进入21世纪后,人类更加强烈的感受到陆地资源日趋紧张的压力,这是人类面临的最现实的问题。海洋即将成为人类可持续发展的重要基地,是人类未来的希望。水下机器人从20世纪后半叶诞生起,就伴随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程不断发展。专为在普通潜水技术较难到达的区域和深度执行各种任务而生的水下机器人,将使海洋开发进入一个全新的时代,在人类争相向海洋进军的21世纪,水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段必将得到空前的重视和发展。

1 海洋对人类的重要性

    海洋作为蓝色国土,首先是一个沿海国家的“门户”,是其与远方联系的便捷途径,并且“门户”的安全是国家安全的重要组成部分,早在2500多年前古希腊海洋学家锹未斯托克就提出过“谁控制了海洋,谁就控制了一切”。很久以来人们就依赖于海洋航道进行大量的物品贸易,现在整个世界大部分的货物运输都依赖于海上运输,海洋运输是整个经济正常运转必要的一环。更重要的是,现在很多国家的石油、矿石等最基本的生产资料大部分都依赖于海洋运输,海洋运输的安全和对海洋的控制力成为一个国家生存的基本保障。

    近年来再次掀起海洋热的浪潮是因为陆上的资源有限,很多资源已经开发殆尽,而海洋中蕴藏着丰富的能源、矿产资源、生物资源和金属资源等,人们急需开发这些资源以接替所剩不多的陆上资源来维持发展。更为重要的是,地球上半数以上面积的海洋是国际海域,这些区域内全部的资源属于全体人类,不属于任何国家。但目前的现状是只有少数国家有能力对这些资源进行初步开采,这些国家在其已探明的区域拥有优先开采权,相对于那些没有能力开采的国家这几乎就等于独享这部分资源。因此海洋已经成为国际战略竞争的焦点,争夺国际海洋资源是一项造福子孙后代的伟大事业。所以水下技术成为目前重点研究的高新技术之一,智能水下机器人作为高效率的水下工作平台在海洋开发与利用中起到至关重要的作用。

2 水下机器人的定义与分类

    2.1 水下机器人的定义与概述

    水下机器人也称作无人水下潜水器(unmanned underwater vehicles,UUV),它并不是一个人们通常想象的具有类人形状的机器,而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇,水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化,诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求,所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势,这是符合仿生学原理的。水下环境是属于鱼类的“天下”,人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势,所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的同转细长体,随着仿生技术的不断发展,仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中,风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重,使得水下机器人的通信和导航定位十分困难,这是与陆地机器人最大的不同,也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

    2.2 水下机器人的分类

    水下潜水器根据是否载人分为载人潜水器和无人潜水器两类。载人潜水器由人工输入信号操控各种机动与动作,由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境,其优点是由人工亲自做出各种核心决策,便于处理各种复杂问题,但是人生命安全的危险性增大。由于载人需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统,这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。无人水下潜水器就是人们常说的水下机器人,由于没有载人的限制,它更适合长时间、大范围和大深度的水下作业。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同可以分为下面两类。

    (1)有缆水下机器人,或者称作遥控水下机器人(remotely operated vehicle,简称ROV),ROV需要由电缆从母船接受动力,并且ROV不是完全自主的,它需要人为的干预,人们通过电缆对ROV进行遥控操作,电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要,但是由于细长的电缆悬在海中成为ROV最脆弱的部分,大大限制了机器人的活动范围和工作效率。

    (2)无缆水下机器人,常称作自治水下机器人或智能水下机器人(autonomous underwater vehicle,简称AUV),AUV自身拥有动力能源和智能控制系统,它能够依靠自身的智能控制系统进行决策与控制,完成人们赋予的工作使命。AUV是新一代的水下机器人,由于其在经济和军事应用上的远大前景,许多国家已经把智能水下机器人的研发提上日程。

    有缆水下机器人都是遥控式的,根据运动方式不同可分为拖曳式、(海底)移动式和浮游(自航)式三种。无缆水下机器人都是自治式的,它能够依靠本身的自主决策和控制能力高效率地完成预定任务,拥有广阔的应用前景,在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

    2.3 自治水下机器人

    自治水下机器人,又称智能水下机器人,是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上,在没有人工实时控制的情况下,自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。俄罗斯科学家B.C.亚斯特列鲍夫等人所著的《水下机器人》中指出第3代智能水下机器人是一种具有高度人工智能的系统,其特点是具有高度的学习能力和自主能力,能够学习并自主适应外界环境变化。执行任务过程中不需要人工干预,设定任务使命给机器人后,由其自主决定行为方式和路径规划,军事领域中各种战术甚至战略任务都依靠其自主决策来完成。智能水下机器人能够高效率地执行各种战略战术任务,拥有广泛的应用空间,代表了水下机器人技术的发展方向。

责任编辑:程玥
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