文章

水下机器人技术发展趋势

①有缆遥控潜水器发展趋势。

  • 增加作业深度。向超过1OOOm以下的大深度发展,这是海洋石油工业向大深度发展的需要。目前工作深度在3000m的有缆遥控潜水器已经较为普遍,有的甚至达到10000m。可以说有缆遥控潜水器的工作深度几乎已经能够覆盖全部的海洋空间。
  • 繁重作业能力。无论是海洋石油开发,还是打捞救生作业,都要求有缆遥控潜水器替代人承担繁重的作业,并根据用户要求进行专业化、组合化,以适应复杂的海况和作业条件。
  • 降低成本。努力降低作业成本并向小型化发展,全电型、低成本的有缆遥控潜水器为内湖地区的用户提供了更大的选择余地。
  • 高性能。随着高技术的发展,有缆遥控潜水器具有比以往更高的性能。将来的有缆遥控潜水器将具有更高的智能、更真实广阔的视场、更高的运动性能、友好的人机界面,减轻操作者的劳动强度,增加可靠性和安全性,便于操作,以最终实现完全代替潜水员的水下作业的理想目标。
水下机器人技术发展趋势

 

②无缆自治水下机器人发展趋势。无缆自治水下机器人技术代表了未来水下机器人技术的发展方向,是当前世界各国海洋设备研究工作的热点。

  • 智能化。目前开发的无缆自治水下机器人智能化程度较低。智能化程度的低下限制了无缆自治水下机器人在复杂环境作业的能力。随着机器智能、虚拟现实、遥控操作技术的发展,无缆自治水下机器人将能得到快速的发展,在更多的领域替代载人潜水器和有缆遥控潜水器。
  • 远程化。无缆自治水下机器人没有有缆遥控潜水器所必须具有的电缆联系,使得无缆自治水下机器人有条件向更深、更远的方向发展。军事用途是无缆自治水下机器人重要的发展方向,作战需要要求无缆自治水下机器人技术在远程、精确定位、隐形的技术等方面发展。·作业化。世界上现有的无缆自治水下机器人绝大多数只能用于观察和测量,不具备作业能力。作业型无缆自治水下机器人是目前各国努力发展的技术,是一个具有较大挑战的技术难点。
  • 低成本。目前无缆自治水下机器人的发展通常为军事驱动和政府行为,发展低成本的无缆白治水下机器人以及发展浅水和极浅水的无缆自治水下机器人也是目前无缆自治水下机器人的发展方向。

典型无缆自治水下机器人

 

①“探索者”号1OOOm自治水下机器人。我国从20世纪80年代开始无缆(自治)水下机器人的研究。1990年由中科院沈阳自动化所等单位联合研制我国第一台无缆自治水下机器人“探索者”号。1994年“探索者”号研制成功,并进行了深海试验。“探索者”号的主要用途是深海环境下海洋参数的调查。

典型无缆自治水下机器人

②“CR-01”600m自治水下机器人。1995年中国和俄罗斯联台研制开发的“CROl”6000m自治水下机器人,主要用途是进行海底调查。“CROl”机器人可进行地形扫描,浅地层剖而测量,温度、盐度、深度等海洋要素测量拍照,录像等作业。它采用预编程方式航行,其最大工作水深为6000m,最大续航能力可达23b。1995年和1997年两次在太平洋进行作业实验,获取了大量深海多金属结核储量和分布的信息。

 

 

无缆自治水下机器人

无缆水下机器人主要用于海底地形考察及水文考察、搜索海底失事沉船、对失事海域现场进行测量、研究水下资源及海底矿产开发。由于没有脐带电缆,所有的操作都依赖于机器人本身自治完成。所谓自治就是自己管理自己,机器人本身带有能源、环境感知装置及有效的运动控制系统,它可以在海底障碍物附近运动;自动分析环境的变化,并根据环境的变化作出反应;自动检测内部状态以便进行紧急处理;能按给定的航线自动航行,同时实现定深、定向、定高、定距航行。

无缆自治水下机器人

目前,国际上只有为数不多的国家有能力建造此类水下机器人。我国“CR-Ol”的研制成功标志着我国的水下机器人技术已跨入世界领先地位,成为世界上少数拥有此项技术的国家之一。同时我国对除海沟以外的97%的全球海域具备了详细探测的能力。

典型有缆遥控水下机器人介绍

①海人一号。“海人号”足我国自主研究的第一台水下机器人,由中科院沈阳自动化所与上海交通大学等社位于1980年开始研制,为我国水下机器人的起步和发展奠定了基础。

海人一号

②REC()N-IV-SIA。1985年沈阳自动化研究所与美国PERRY公司合作并引进生产技术,生产了RECON-IV-SIA中型水下机器人。RFCON-IV-SIA是一个典型的有缆遥控水下机器人实用化产品,它已在我国多项海洋石油、水下工程等项目中应用。

③金鱼号。金鱼号轻型水下机器人是由中科院沈阳自动化所开发的一个低成本的小型观察型有缆遥控水下机器人,可广泛应用在内湖地区的水下观测和检查。

民用水下机器人

近年来,民用水下机器人得到了广泛的应用,它主要应用于水下工程海洋救助与打捞救生和海洋科学考察等领域。

民用水下机器人

①水下工程。

  • 水下检查查明管道、水下工程、电缆铺设的情况及其位置,检查右油钻井平台和井口的锈蚀及损坏的程度,检查水库大坝及闸门的裂缝、损坏情况等。
  • 水下监视监视和辅助潜水员进行水下作业、救助打捞和石油钻井平台的水下作业等。
  • 搜索与识别埘海洋、湖泊、江河中的沉船、遗失的仪器、工程设备等搜索寻找、记录和识别。
  • 安装与回收协助右油钻井平台安装、搬迁,扭转阀门、更换和安放设备,协助水下工程建设、打捞作业等。
  • 水下清理水电站拦污栅清理,海上右油钻井平台基础清理,船体、管道及水下构件除锈、除漆等。

②海洋救助与打捞救生。在海难救助、打捞沉船的作业中独立完成或协助潜水员完成水下作业任务。全球定位、搜索,救援遇难舰船、解救受困潜水艇、中继通讯等。

③海洋科学考察。海洋科学考察主要包括水文地质考察(记录海底地形、绘制海底地图、选择土样和岩石样本等)、海洋生物考察(测定海底生物形态,采集生物样本等)、海洋物理考察(测定地球磁场,考察石油、天然气、矿物资源,考察海底火山活动情况等)、海洋光学考察等等。

④水下考古。确定水下文物位置和性质,采集文物样本、清理考古现场,打捞文物等。

 

军用有缆(遥控)水下机器人

军用有缆(遥控)水下机器人

前面提到的美国海军的有缆遥控潜水器“CURV”最引人注目。它是专门用于美国海军实验巾心打捞沉没于水中的武器,其作业深度610m.于1958年建成。在最初服役的六年中,平均每年回收约100个鱼雷及其他装置。在CURV的基础上,美国海军后来又改进建造了一艘CURV2和一艘CURV3,它们的作业深度分别增至为762m和2300m。这类水下机器人的另一个重要作用是协助潜水员执行打捞作业。1973年8月,CURV3和载人水下机器人PISCFSV共同打捞起另一艘沉没的载人潜水器PISCESⅢ。当时这艘潜水器沉没在爱尔兰西北角480m水深的水域。CURV3帮助PISCES姐妹潜水器挂上了一根关键的起吊缆绳,救出了被困在潜水器内3天零六小时的两名潜水员。1973年6月载人潜水器Johnson-Sea-Link号在佛罗里达海岸110m水深处被一艘沉船缠绕在海底。潜水员企图为它解脱,由于水流过大,多次努力均告失败。在将近32小时后.CURV终于将一个四爪钩固定到Johnson-Sea-Link号上,使它重返水而,两名艇员获救,另两名不幸遇难。1981年1月21日,有缆自由航行遥控水下机器人又在斯梯纳普来特海200m水深处帮助潜水员解救了一只系缆破损的包括两私潜水员的救生钟。1986年1-2月间,这种水下机器人还参加了打捞美国“挑战者”号航天飞机残骸的水下作业。这些成功的打捞活动展现了有缆遥控水下机器人作为水下作业重要手段的良好前景。

水下机器人应用领域

水下机器人初期的研究与发展都是以军事目的为背景。

水下机器人应用领域

早期的发展主要围绕援潜救生、武器打捞、水雷对抗。真正的水下机器人的发展始于20世纪70年代,随着电子技术、计算机技术的同新月异,水下机器人的技术得到飞速发展,尤以有缆遥控潜水器技术发展最快,并已形成产业。

目前水下机器人广泛应用于民用和军事领域,以及在海洋、内湖环境下的各类水下工程作业。

水下机器人发展概况

人类利用潜水设备从事水下的采集活动具有很长的历史。早期的潜水设备主要利用类似现代的潜水钟的简易容器为潜水员在水下提供呼吸的空间。从16世纪开始,人类开始制造具有真正意义的潜水装置。这种潜水装置具有封闭空间,可以净化空气,具有观察窗并带有推进装置。第一艘“现代化”的潜水器通常被认为是1890年下水的由西蒙·莱克制造的“阿尔戈纳特I”号( Argo-nan the First)。它是一艘小型潜艇,看上去很笨拙,用厚木板制成,用沥青进行水密,由一台汽油机作为动力,潜航时用一条通向水而并有浮力支持的软管作为通气管。此外,它还装有用动力驱动的滚轮和一个可以打开的底部舱口盖。当舱内压力与外界压力平衡时可以把舱口盖打开,让潜水员采集海底标本。20世纪60年代中期到20世纪70年代中期是载人潜水器的鼎盛时期。目前世界上大约有160艘载人潜水器,其中超过6000m的约有四艘。1960年,美国海军的深海潜水器“特里斯特I”号(TrieSte the First)下潜到I1000m深的马里亚纳海沟。“特里斯特”和法国的“阿基米德”(Archimedr)是仅有的两艘潜深超过6000m的深潜器,除此之外还有美国、法国、前苏联、日本的一些载人潜水器能下潜到6000m的深处。美国于1964年建造的“阿尔文”号(Al-Vin)被认为是载人潜水器中最起作用和效率最高的。1985年,美国伍兹霍尔海洋研究所的罗伯特巴拉德博士和他的两位同事乘坐“阿尔文”号潜水器,对沉没大西洋底70年之久的“泰坦尼克”号探秘,他们携带了一只私叫“杰森”的小机械手,在历经两年多的考察工作中,“杰森”在科学家的操作下,取得了数百件有价值的物品。这一考察结果轰动了世界,也使水下机器人的研究更为人们关注。

水下机器人发展概况

早在20世纪50年代,有人设想把人的视觉延伸到神秘的海底世界,于是,他们就把摄像机密封起来送到了海底,可以说,这是第一代缆控水下机器人的雏形。

世界上第一个真正意义上的有缆水下机器人“ROV-CURV”,是在1960年由美国研制成功的。它在西班矛外海找到了颗失落在海底的氢弹,这件事在全世界引起了极大地轰动,有缆遥控潜水器技术也开始引起了人们的广泛重视。

20世纪70年代以来由于石油价格的上涨,使得海洋石油产业得到迅速的发展,由于在石油开采中使用水下机器人,同时电子技术和计算机技术的发展促进了ROV的迅猛发展,并且开始形成了ROV产业。

1975年,第一个商业化的缆控水下机器人——“ROV-225”问世了。“ROV-225”属于观察型水下机器人,外形就像一只球,所以又称作“眼球”。“眼球”首先在北海油田和墨西哥湾工作。从那时起,有缆遥控潜水器的发展更加迅速,一些销量较大的优秀的有缆遥控潜水器相继出现。例如,美国阿美泰克( Ametek)公司的“SC()PI()”水下机器人、佩瑞(PFRRY)公司的“RECON-Ⅳ”中型水下机器人和“TRITON”大型水下机器人、加拿大ISF公司的“HYSUB”水下机器人等。现在,水下机器人在海洋开发的许多领域得到了广泛地应用。

据不完全统计,有缆遥控潜水器的数量已经超过110种,全世界近300家厂商提供各种有缆遥控潜水器整机、零部件以及有缆遥控潜水器服务。

机器人的一个作用就足代替人在危险环境下工作,人们更需要水下机器人在深水区域能够代替人完成作业。由机器人做这些工作,将大大降低运作成本,同时保证操作人员的人身安全。目前水下机器人最成功的商业化应用是在海洋石油工业中,利用机器人进行钻井平台的检修、维护和抢修。这类水下机器人必须携带机械手才能完成预定的工作。

早在20世纪50-60年代,人们就认识到了无缆水下机器人的意义,但是由于技术难度太大,没能得到很大发展。2世纪70年代中期,由于微电了技术、计算机技术、人工智能技术、导航技术的飞速发展,加上海洋工程和军事活动的需要,使无缆水下机器人成为发展的热门。目前,世界上大约有四十几艘自治水下机器人,主要分布在美国、法国、加拿大、俄罗斯和中国,水深从水而覆盖至6000m.主要用于海底调查、资源勘探、科学考察、水下工程和军事目的。

由于国际互联网络和跨洋通讯的发展,从20世纪90年代起,海底通讯电缆、光缆的数量和长度迅速增长。同时随着人类在海洋活动的增加,加大了海底电缆、光缆损坏的可能性。为了在各种水深条件下更有效地保护海底电缆,仅靠传统的铺设方式是不能满足要求的,需要有

一种机动灵活、适应各种复杂环境作业的智能海底爬行机器人——自走式海缆埋设机(trencher)。从20世纪90年代初,一些国家开始研制海缆埋设机。英国SMD公司在1992年研制的“海床拖拉机”(Seahedtractor)是第一台利用自走式水下爬行机器人实现海底电缆及光缆埋设的设备。目前该类产品已有少量产品投入使用,并有迅速增长的趋势。

水下机器人

         21世纪是海洋世纪,海洋占整个地球总表而的71%,无论从政治、经济还是从军事角度看,人类都要进一步扩大开发和利用具有丰富资源的海洋。水下机器人作为在海洋开发和利用中的一种高技术手段,其重要性不亚于宇宙火箭探索宇宙空间的作用。

水下机器人

水下机器人的分类及用途

水下机器人有很多种类,可根据其结构形式、运动方式以及控制、用途等不同的原则进行分类。 水下机器人,也称水下无人潜水器(UUV),另有一类可以无人也可以载人的潜水器,称双工潜水器。无人潜水器主要分为有缆遥控潜水器(ROV)和无缆自治水下机器人( AUV),另外还有海底爬行水下机器人和拖航式水下机器人等。有缆遥控潜水器是从水面进行控制,带有推进器、水下电视、水下机械手和其他作业工具,能够在三维水域运动,由水面提供能源的装置。目前有缆遥控潜水器广泛应用在海洋石油开发、救助打捞和水下工程中。有缆遥控潜水器的重量在几公斤至几十吨之间,航速为2~4km。由于航速较低且配置设备较多,大多有缆遥控潜水器的结构为开放式框架结构。无缆自治水下机器人自带能源,由于无线电信号在水中传播衰减很大,水下通讯主要采用水声通讯。由于声波受到水中传递速度和信号带宽的限制,无法保证无缆自治水下机器人在水中的实时控制,因此无缆水下机器人的控制模式采用自治控制方式。所谓自治是指水下机器人具有一定的智能,在水中町根据水下环境和作业任务自动完成轨迹规划、障碍回避、作业实施。受人工智能发展水平的限制,目前可实用的水下机器人还不能完全实现自治控制,每次作业前由人对作业任务进行分解并进行任务规划,以预编程的控制方式保证水下机器人按事先计划的程序完成作业。但水下机器人控制最终发展目标是高度智能化的完全自治控制。监控是将人的因素参与到自治控制中,操作人员可以根据水下传递的信息进行判断和决策,将决策信息以宏命令形式通过水声下传给水下机器人,以修改作业程序或改变作业方式。监控方式可以使目前的水下机器人更加适应复杂的水下环境和作业任务。