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自主式水下航行器的发展

摘要：

自主水下航行器的特点是使用最先进的技术，如功能强大的状态嵌入控制器、广大阵列的传感器，以及先进的机器人系统。从早年建立水下航行到最新的发展，在这些海上平台的潜在应用上的兴趣渐浓。

海洋学家，石油公司，甚至海军协会的自治水下机器人发现了一个机会去探索海洋的最深处。这种日益增长的兴趣引发了世界各地不同的努力来设计和开发无人水下航行器。

本文的写作目的就是简要的描述和展示利用自治系统进行海洋勘探的优点、挑战以及风险。此外，文章介绍了涉及在一个自治水下系统的正确运行的主要组成部分。

关键词Keywords

Autonomous Underwater Vehicle, Remotely Operated

Underwater Vehicle, Underwater Navigation and Control,

Underwater Robotics, Underwater Simulators, Mission Planning,

Power Sources.

1. 介绍：

水下机器人（AUV）的进步为发展能够探索、收集数据，甚至进行一些水下作业的机器提供了可能。水下救援艇分为遥控车辆（ROV的）和自主水下航行器（水下机器人）。

遥控潜水器通过一个系绳与人一起监督控制和操作车辆。另一方面车辆是不受限制的，它能够在不与人互动的情况下完成任务。为了执行任务，一个水下机器人应该有板载情报，有一组传感器和执行器一起使其能够达到任务的目标。

水下车拥有诸多优于其他现有技术的地方，比如在技术和经济领域。但是AUV 的发展也带来了许多风险和挑战。也正是由于这些原因，自主式航行器的使用率增长缓慢。

之前就有过关于水下机器人发展概况的文章发表过，但是一些文章例如[1]现在都已经过时了，其他一些文章都集中于描述水下机器人的结构，但缺乏一些关于其历史的背景信息以及在其发展过程中面临的风险等。

本篇文章就以上主题进行了一个全面的概述，第2节回顾了水下机器人的发展历程、它们的主要特点，其应用领域、优势和挑战等。接下来第3节描述了水下机器人的主要系统和构成部分。第4节是全文的总结；最后第5节讨论了水下机器人未来的发展前景并提供了其未来工作的预览。

1. 背景

本部分简要地展示了水下机器人发展历史中的重要节点，对比一些现存的水下机器人和每一个水下机器人应具备的关键特征，并在本部分也讨论了水下机器人的应用与优势以及在发展中的风险与挑战。

• 1. 水下机器人的发展历史

水下机器人的发展可以追溯到20世纪60年代 [1]。在20世纪60年代最初是研究关于水下机器人的实用性。一些机器被建造并用于特殊用途，比如数据采集等。后来，在20世纪70年代，大学和研发机构建立起各式的测试平台，这是水下机器人发展史上的一个关键时期。一些设计的车辆分别为：

·专用水下研究车（SPURV）他是由华盛顿大学的应用物理实验室开发出来的，该车辆的研发源于从北极收集海洋数据的需要。

·L1和L2，第一款水下机器人是由海洋技术研究所与俄罗斯科学院[1]一起开发的。在20世纪80年代，计算机技术的进步影响水下机器人的发展。复杂的软件和控制算法的实施是可能的。1980年，第一届国际研讨会无人潜水不受限制技术（UUST）在美国新罕布什尔州举行，只有24名与会者。然而直到1987年，有超过320个毕业于不同的大学，公司，联邦机构和9个国家的人参加了座谈会。各种研究项目启动，很明显水下机器人将成为运营系统。在20世纪90年代，他们能够根据设定的目标来完成一组任务。国际上在同一时间，许多水下机器人被开发出来，并出现许多潜在用户。

在本十年之初，水下机器人的市场就已确定，如今，除了学术和研究领域中，水下机器人技术已被运用到海洋业。

• 1. 水下机器人的比较

在国际范围内已经超过了10个国家研发了水下机器人，他们中的每一个设计都具有所需的目的或任务目标，因此，各种水下机器人之间最普遍的差异就是设计目的和达到的最大深度。海洋学数据采集系统（ODAS）和自治区海底资源管理器（ABE）是这些无人机的例子。关于感觉系统的变化也可以被视为在使用不同的水下机器人。例如，航海家II，由美国的佛罗里达大西洋大学开发，采用了大量的的传感器。其中一些是：晶须声纳，声波速度计，压力传感器以及一个射频调制解调器。奥德赛二，由美国麻省理工学院开发，有高度计，温度传感器，声学调制解调器，作为其感官系统的一部分。

水下机器人的其他方面的差异可以由电源，推力，所述处理器和所述的操作系统的数目使用的方面看出[21]。

2.3主要特点

以下是任何水下机器人所应具备的主要特点以及在其设计之初所考量的地方。

可靠性：水下机器人必须能够执行和完成所需的任务。

模块化：系统应具有足够的灵活性，以方便任何必要的更新或修改。

智能化：水下机器人应该准备在任务执行过程中处理任何意外情况。

持久性：高效的能源消耗应妥善规划，以使系统能够持续到任务完成。

2.4运用、风险以及挑战

2.4.1运用及优势

自主水下航行器的设计和新技术的发展持续增长已经引起了业界和科学界的关注。人们的兴趣从海底科学数据的收集到寻找石油和矿物，由于越来越多的传感器和系统被添加到测试，水下机器人的潜在应用正在增加。然而，两大类主要应用可分为：调查任务和科学任务。

调查的任务主要就是用水下机器人来识别钻探地点从而提取石油，排铺管道和探测水深。一些能够执行这些任务的水下机器人都是来自麻省理工学院（MIT）。虽然应用水下机器人的优势从一些石油企业的良好营业额中体现，但大多数的石油企业仍旧缓慢的从应用遥控潜水器向应用水下机器人转变。例如，石油公司壳牌公司估计，它最多可以五年间通过使用水下机器人节省高达 100万美元[4]。

科学任务往往更加果断地利用水下机器人使用的好处，特别是由海洋科学界进行的任务。科学团体利用不同传感器收集海洋中不同部分的数据。在深海探索中，水下机器人的优势就明显的超过了遥控潜水器，因为在海洋面下6000米遥控潜水器都是很难控制的。为海洋科学界感兴趣的其他领域是冰下探索和海洋考古探索，因为在这些探索中水下机器人可以被用来寻找沉船遗迹和文化遗产。许多商用机器为调查和科学的任务是市售的。小型车辆，其估计费用为$35,000；更大的汽车，其成本接近US $175,000[8]。科学界面临着操作水下机器人去探索海洋的支出费用增加，世界各地的几所大学已经开始开发自己的水下机器人。

2.4.2挑战和风险

研发自主水下航行器面临的主要挑战就是深海环境。例如，有限的功率限制，水流造成的堵塞，复杂的流体力学和有限的外部通信干扰都只代表了极小一部分应用水下机器人的挑战。这些挑战和风险使得水下机器人的研发和使用速度在减慢。

防止水下机器人的电子机械及软件系统故障是至关重要的，因为这能尽量减少机器在深海损坏甚至失灵的风险。机器的不正当操作可能造成公司或科学协会不可承担的经济损失。出于这个原因，只要水下机器人技术没有充分验证，有些公司会尽量依靠使用遥控潜水器来执行其水下的任务[9]。

1. 水下机器人主要部件

一个简单的水下机器人至少应该有一个导航系统、推进机构和容器放置板载组件。本节介绍任何水下机器人所需的主要系统和部件，还提出了一些存在的模拟器的简要概述。

3.1机械设计

外壳形状的选择主要是取决于所需的任务。壳可以分类为打开或关闭的，开放框架壳体是灵活的，也可以允许外部传感器和推进器。另一方面，封闭框架壳体结构紧凑，提供更好的流体动力，但很难修改[17]。

压力外壳还需要放置组件，例如电子组件和电池，压力壳必须能够防水。此外，应该具有特殊的材料制成，以处理的高腐蚀性和压力较高的海洋环境。因此，船体必须具有以下特点：易获得性和易维护性；允许模块更新；既轻便又坚固，耐腐蚀。

许多水下机器人使用一个或多个压力船体壳的鱼雷形的结构。有各种形状的壳体，如球形或圆柱形的。圆柱被认为是最好的选择，同样地，不同的材料可用于压力壳，例如铝或钛。不同的耐压壳材料之间的比较，显示在下面的表1

表 1. 耐压壳体材料– 改编自 [21]

铝合金 钛合金 陶瓷

极限应力 73 125 100

密度(lb/in3) 0.1 0.16 0.3

制造 非常好 好 一般

抗腐蚀性 好 很好 非常好

磁化系数 中等 高 很低

成本 很低 中等 中等

3.1.2动力

水下机器人通过使用一种能在水中以某个速度移动创建推力的推进机制在水中驱动。因此，选择适当的机制取决于多种因素，如大小，成本，功耗和产生的推力。螺旋桨、螺旋桨荚和飞机的一些水下应用中使用的推进器中。而飞机使用涡轮这两个螺旋桨和吊舱推进器使用的电机。

3.2数据采集系统

3.2.1传感器

一个水下机器人通常包含大量的传感器，这些传感器能被分为两大类：导航辅助设备和探索/观测设备。

第一子组包括传感器，例如一个全球定位系统（GPS）接收器，多普勒速度日志（DVL），一个或多个声纳模块，深度传感器，高度计，罗盘和陀螺仪[4]。GPS接收机被用来估计机器所在位置，而多普勒速度日志被用来估计当机器淹没在水中时的位置。深度传感器被用来估计机器在水下的深度。罗盘和陀螺仪被用于测量角度。最后，声纳模块用于检测路径上的障碍物。

第二子组是由那些允许水下机器人进行注册和登录海洋生态系统的传感器组成。尽管如此，随着水下机器人技术越来越可靠，更多的传感器被用于观测数据了。

3.2.2对外交流

由于深海环境的制约，水声通讯是水下机器人与外部世界通讯的最可行策略。由于这个原因，大多数商用水下机器人使用声学调制解调器的发送和接收数据。尽管基于激光的通信以及射频通信仅在非常短的距离内可靠地工作，研究人员还是对其进行了多番研究。

低成本的水下机器人更倾向于使用传统的沟通策略，例如无线区域网络的使用（无线网络）。然而只有当水下机器人处于海面以上时，这种类型的通信才能正常的工作。

3.3导航系统

水下机器人有三种主要的导航方式：航位推算和惯性测量系统（INS）、声学导航、地球物理导航技术。

由于相关联的惯性测量系统的成本较高，最早的水下机器人使用航位推算作为其主要的导航方式。随着航位推算和惯性测量系统技术的成本越来越低，更多的水下机器人开始使用混合系统：一个航位推算和惯性测量系统和多普勒速度声纳（也称为多普勒测速）。这种方法的最重要的问题是，关于水下机器人位置的误差是累积的，换言之，随着水下机器人行进，误差变得更大。

声学导航方法依赖于使用放置在该数据发送到所述水下航行器的海洋的不同部分转发器或信标。这种方法是类似于GPS系统，在这种情况下，声导航系统使用水下机器人到每个信标的距离来确定自身的位置。该方法的主要缺点是在计算位置中产生的误差，另外，在一些情况下安装人工信标来执行声学导航方法是不可行的[6]。

地球物理导航方法使用关于地球物理参数，如磁场，重力或水深的先验信息。准确的导航是通过传感器数据与已知的地球物理参数进行比较来实现。当水下机器人将传感器数据与其数据库的数据进行比对，就能够确定其位置。然而先验地图的产生是困难且昂贵的，特别是当任务的目的是观察一个未知的领域时。

一个相当新的混合导航方法是当水下机器人在海洋表面时，使用一个GPS接收机以确定机器的初始位置。确定初始位置后，水下机器人使用多普勒助航位推算导航，机器行驶至表面使用GPS接收机来重新校准其位置。

3.4控制系统

3.4.1姿态控制

姿态控制系统是水下机器人的最关键的部分之一。它负责调节深度，速度和车辆的欧拉角（俯仰，滚动和偏航）。设计姿态控制器时有几个挑战需要考虑，比如车辆动力学的非线性性质和海洋中的水流产生的干扰。

通常情况下，姿态控制系统是在任务控制器的不同CPU中执行。这种分离使得任务控制器能够发送高级别命令到姿态控制器来测量机器的深度和位置。换句话说，任务控制器的操作通过命令低级别控制器以调节水下机器人的位置得到了简化。

对几种简化低级别控制器的方法进行分析，一个常见的简化涉及机器的垂直和水平控制平面的划分。一个或多个古典控制器在水平面内（位置）操作，而另一组控制器在垂直平面（深度）操作。当低级别控制器的位置和深度被独立设定时，这种方法是有作用的。

在大多数情况下，当系统能够最小化由水流产生的干扰时，这种方法是相当准确的。然而，PID系数的计算是依赖于致动器的响应和车辆的推进系统。动态控制分析往往是一项复杂的任务，特别是应用于大型水下机器人。[11]

虽然经典的控制策略提供了较好的结果，控制系统应能够适应并从环境和车辆动力学[21]的非线性特性中学习。自适应控制技术，如模糊逻辑，神经网络和滑模控制在姿态控制器[17]的开发中使用其他策略。

经典控制系统后，

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