第 3 章 水下机器人 3.1 水下机器人发展与分类 3.1.1 概述 海洋的诱惑 　　人类今天正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发展，人们开始向海洋进军，向其他星球进军，海上石油的开采正是这一大进军的前哨战。 海洋占地球表面积的71％，它拥有14亿立方公里的体积。在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及6000亿亿吨的矿产资源。海底锰的藏量是陆地的68倍，铜的藏量为22倍，镍为274倍，制造核弹的铀的储藏量高达40亿吨，是陆地上的2000倍。海洋还是一个无比巨大的能源库，全世界海洋中储存着2800亿吨石油，近140亿立方米的天然气。因此，洋底的探测和太空探测类似，同样具有极强的吸引力、挑战性。

　　众所周知，海底世界不仅压力非常大，而且伸手不见五指，环境非常恶劣。不论是沉船打捞、海上救生、光缆铺设，还是资源勘探和开采，一般的设备很难完成。于是人们将目光集中到了机器人身上，希望通过机器人来解开大海之迷，为人类开拓更广阔的生存空间。 水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。 水下机器人具有四个基本特点。 (1)可移动性 移动是指水下机器人在海底爬行、附着在结构物上行进或在海水中浮游。 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性 (3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业

3.1.2 水下机器人分类及用途 水下机器人种类很多，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。目前国际上通常将水下机器人按图34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，也称双工潜水器。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。 ROV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ROV广泛应用在海洋石油开发、救助打捞和水下工程中。ROV的重量在几公斤至几十吨之间，航速为2～4kn。由于航速较低且配置设备较多，大多ROV的结构为开放式框架结构。 AUV自带能源，无绳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，在水中可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。

3.1.3 水下机器人发展概况 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。 关于第一艘 "现代化"的潜水器，通常认为是1890年下水的由西蒙·莱克制造的"阿尔戈纳特I"号 。 20世纪60年代中期到70年代申期是载人潜水器的鼎盛时期。目前世界上有载人潜水器大约160艘，其中超过6000m的约有4艘。1960年美国海军的深海潜水器‘特里斯特I“号下潜到11000m深的马里亚纳海沟。”特里斯特“和法国的”阿基米德“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1964年建造的"阿尔文"号一直在使用，被认为是载人潜水器中最起作用和效率最高的。

参观“泰坦尼克号” 　　1912年4月15号，一场震惊世界的大惨案发生了，号称“不沉之船”的当时世界上最大的豪华邮轮“泰坦尼克号”，在其处女航中与冰山相撞，在距纽芬兰368海里的地方沉入3797米深的海底，1523名游客及海员遇难，705人得救。 　　70多年后的1985年9月1日，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来到了出事地点，希望能揭开泰坦尼克号沉没之迷。他们乘坐的阿尔文号潜水器重13801公斤，最大潜水深度为4511米，最大下潜速度为18～30米/分钟。阿尔文号带有一台长约0.71米的有缆遥控机器人，名叫“小杰森”。“小杰森”装有一台高分辨率的摄像机和强大的照明系统，他可以探测从前无法达到的大洋的最深处。 1986年7月，巴拉德博士的小组又回到了这个地方。7月13日，阿尔文号用它的7盏明亮的灯光照射着北大西洋黑暗的洋底，三位科学家在前进中搜索着，希望能找到可能就在附近的巨大邮轮的蛛丝马迹，水母和鲨鱼不断从阿尔文号的窗口旁游过……。

由于载人潜水器是人身临危险环境的装备，它的生命维持系统等使得制造与维持费用十分昂贵，而且使用不方便，70年代后载人潜水器的发展进入低谷。随着技术的进步，可制造出无人的潜水器，代替人去深海的危险环境中工作，于是水下机器人便应运而生，开始得到发展。 　 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。它在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，这件事在全世界引起了极大地轰动，ROV技术也开始引起了人们的广泛重视。 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 RCV-225问世了。“RCV-225”属于观察型水下机器人，外形就像一只球，所以叉称作 “眼球”。 据不完全统计，ROV的数量已经超过110种，全世界近300家厂商提供各种ROV整机、零部件以及ROV服务。

早在50～60年代，人们就认识到了无绳水下机器人的意义，但是由于技术难度太大，没能得到很大发展。70年代申期，由于微电子技术、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，水深从水面覆盖至6000，主要用途是海底调查、资源勘探、科学考察、水下工程和军事目的。 CR-01水下机器人的本体长4.374米，宽0.8米，高0.93米，它在空气中的重量为1305.15公斤，它的最大潜深6000米，最大水下航速2节，续航能力10小时，定位精度10～15米。它是一套能按预订航线航行的无人无缆水下机器人系统，它可以在6000米水下进行摄像、拍照、海底地势与剖面测量、海底沉物目标搜索和观察、水文物理测量和海底多金属结核丰度测量，并能自动记录各种数据及其相应的坐标位置。

3.1.4 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。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是在70年代，由于石油价格的上涨，海洋石油工业得到了迅速地发展，在石油开采中使用水下机器人，加上电子技术、计算机技术的日新月异，从而使水下机器人技术得到飞速地成长，其中ROV技术发展最快，并已形成产业。但目前仍有相当数量的水下机器人在军事上应用，尤其是高新技术的产品和研究大多是由军方和政府提出要求并提供经费。目前水下机器人广泛应用在民用和军事领域，以及在海洋、内湖环境下的各类水下工程作业。 水下机器人应用分为军用和民用两类，其主要用途见表3-1。

(1) 军用有缆水下机器人 前面提到的美国海军的ROV-CURV最引人注目。它是专门用于美国海军实验中心打捞沉没于水中的武器，其作业深度610m，1958年建成。在最初服役的6年中，平均每年回收约100个鱼雷及其他装置。茬CURV的基础上，美国海军后来又改迸建造了一艘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。I973年8月CURV3和载人水下机器人PISCES V共同打捞起另一艘沉没的载人潜水器PISCES III。 (2) 军用无 缆水下机器人 AUV可用来辅助军用潜艇，作为它的体外传感器，为它护航和警戒，以及为它引开敌方攻击充当假目标。在反潜方面，AUV可担任海上反潜警戒，也可当作反潜舰艇进行训练的靶艇。另外，在水雷战和反水雷方面以及其他许多特种作业中，AUV都可以大显身手。

(3) 民用水下机器人 由于近年来人们对海洋考察和开发的增多，水下机器人得到广泛的应用，其申ROV大量地被使用在各种水下作业中，AUV大范围、大深度的作业设备近期在深海资源勘探和科学考察上得到了快速地发展。由于造价和人员风险的原因，载人潜水器相对发展放缓。目前水下机器人主要应用领域包括水下工程、海洋石油、打捞救生和海洋科学考察等各方面。 ① 水下工程 a. 水下检查:查明管道、水下工程、电缆铺设的情况及其位置，检查百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。 b. 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。 c. 搜索与识别:对海洋、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。

d. 安装与回收:协助石油钻井平台安装、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。 e. 水下清理:水电站拦污栅清理，海上石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。

3.1.5 水下机器人关键技术 ①能源技术 有缆遥控水下机器人随着深度的增加，高电压的动力输送和动力设备是必须的。目前3000V电压动力较为普遍地应用在ROV设备上。为了减少脐带电缆的尺寸和重量，将来ROV会采用更高的电压等级。目前无缆水下机器人的能源较多是使用铅酸电池和银锌电池。 ②精确定位技术 目前水下机器人在水上采用GPS，水下定位采用声学定位设备。水下GPS技术目前正在迅速地发展，自治导航的精度预计将在5年内提高10倍。 ③零可见度导航技术 混水作业一直是水下机器人应用的最大障碍，利用声学、激光技术以及计算机图形增强技术，将使这个难题得到解决。 ④材料技术 在水中每增加10m的水深，外界压力将增加1个大气压 (0.1MPa)。高强度、轻质、耐腐蚀的结构材料和浮力材料是水下机器人重点发展的技术问题。

⑤作业技术 水下机器人的发展目标是代替人完成各种水下作业。柔性水下机械手、专用水下作业工具以及临场感、虚拟现实技术的发展，将便水下机器人在海洋开发中发挥更大的作用。 ⑥声学技术 被称为声学技术革命的最新的 "矢量换能技术"，可使自主水下机器人的跟踪距离达到100km以上。低频水声通讯技术可使在水下的通讯距离达到1000km以上，图像的水下传输距离可达20km以上。水声技术的发展将使水下机器人真正具有"千里耳"。 ⑦智能技术 机器具有与人相同的智能或超过人的智能是科幻电影的事情，从目前机器智能的发展程度看还需有较长的路要走。由人参与或半自主的水下机器人是解决目前复杂的水下作业的现实办法。 ⑧回收技术 水下机器人的吊放回收作业一般是在海面附近进行，所以常受海况条件的限制而成为影响水下机器人水下作业的主要因素。

3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 大多数ROV为长方体外形，开式金属框架，框架则大多采用铝型材。这种框架可以起围护、支承和保护的作用。框架的构件通常采用矩形型材以便于安装。与开式铝框架不同的另一种结构形式是载体框架完全用玻璃纤维或金属蒙皮所包围组成流线体，这种水下机器人载体形似鱼雷或球。 水下机器人的大小各不相同，最小的只有几公斤，最大的则有几十吨(用于海底管线和通信电缆埋设的爬行式水下机器人)。 ②推进模式 除个别水下机器人采用喷水推进外，大多浮游式水下机器人采用螺旋桨推进，一般在螺旋桨外还加导管，以保证在高滑脱情况下提高推力。推进器驱动方式一般有电机驱动和液压驱动，小型ROV和AUV多采用电动推进器，大功率、作业型水下机器人推进器通常采用液压驱动。

③动力供给 ROV都由水面提供交流电动力，供电电压通常与水下机器人的功率和工作深度有关。一般中小型水下机器人采用220V,50～60Hz单相交流电供电，大型水下机器人多用3000v以上的三相交流电向水下载体供电。 无缆水下机器人和载人潜水器自身携带电池，早期多采用密封的铅酸电池，现在多采用高比能的银锌电池等。 ④ 密封及耐压 水下机器人密闭容器如电子仓通常采用常压封装，相对于环境压力的密封一般采用O形圈密封，与陆地密封条件不同的是水下为外压密封，在设计中要特殊考虑。压力补偿技术是水下机器人常用的耐压密封技术，水下机器人设备 (如液压系统、分线盒)内部充满介质 (液压油、变压器油、硅脂等)，另设一个带有弹簧的补偿器与设备仓体用一个管路连接，补偿器的外部与水连通，内部压力始终高于外部压力。带有补偿器可使水下容器的密封和耐压变得简单可靠，而且重量轻。

⑤ 防腐技术 水下机器人载体材料多采用铝型材，铝表面在海水中的防腐一般采用硬质阳极氧化处理。为防止材料间的电化学反应，设计申避免在互相接触的表面采用电位差大的不同材料，如铜和铝。为减少电位腐蚀，铝框架一般采用镁块作为牺牲阳极。

3.3 水下机器人控制 3.3.1 控制基本类型 水下机器人控制所包括的内容比较广泛，主要有水下机器人的导航、驾驶、通信、作业、传感器、人机交互等，涉及包括控制理论、人工智能、机器人学、光学、水声学、海洋学、操纵性在内的多种学科。不同类型的水下机器人的控制问题所包含的内容有所不同。 根据人在水下机器人执行使命过程中介入的形式和程度，可把水下机器人控制分成三类: 遥控型水下机器人 自治型水下机器人 监控型水下机器人

遥控型水下机器人在完成使命的过程中，由人来操作，目前广泛应用的ROV就属于这一类。 在操作过程中引人了人的智力，能最大限度地发挥水下机器人的潜力，所以便用遥控型水下机器人能够完成较为复杂的使命。但使用这种水下机器人的缺点是人的劳动强度很大，而且人的疲劳还会造成操作失误，进而影响作业质量甚至发生危险。 自治型水下机器人在完成使命的过程中，人不实时介人，由水下机器人自主地执行其担负的使命，AUV即属于这一类型。使用这种类型水下机器人进行作业效率高、质量好，人的负担很轻。但限于目前的技术水平，特别是机器智能的水平，水下机器人只能完全自主地执行简单的使命，不能进行复杂的作业。 监控型水下机器人在完成使命的过程中，人只是有限地介人或者说只是在高层次介人。监控型水下机器人是对上述两种类型水下机器人能力的折衷，人的参与仅限于做一些由机器人无法完成的思考和决策工作，而具体的动作分解和执行则由机器人来完成。

3.3.2 控制方法 机器人在水中受到的力主要有重力、浮力、水动力、推力、脐带电缆引起的干扰力、机械手作业形成的扰动力，此外还受到与这些力有关的力矩的作用。这些力和力矩形成的合力和合力矩，使水下机器人在水下空间产生6个自由度的空间运动。研究水下机器人在外力和外力矩作用下的运动规律，在此基础上可以建立水下机器人的空间运动的数学模型。 此外，水下机器人的水动力特性也是水下机器人控制的基础。研究水动力特性的意义是从操纵性的角度出发，研究水下机器人载体的稳定性和快速性，尽管这不属于控制的范围，但我们在控制系统设计时必须考虑水动力的影响，以建立水下机器人的数学模型。

设计机器人控制系统的目的是便其完成特定的使命。所谓机器人的使命，就是人赋予它的工作任务。控制过程归纳起来由底层控制和高层控制两部分构成。 底层控制主要是对执行机构和传感器的控制。这部分是水下机器人的基础，无论哪一类水下机器人都必须具备这一部分，它包括以下内容: O水下机器人的航行控制或称驾驶控制; O作业工具控制，例如水下机械手的控制; O传感器控制和信号处理。 除水下机械手外，还可能有其他水下作业工具的控制。水下机械手的控制问题与陆上用机械手的控制问题类似

高层控制则依水下机器人的类型不同而不同，遥控型水下机器人的高层控制是由人来实现的，自治型水下机器人的高层控制是由计算机软件实现的，而监控型水下机器人的高层控制是由人和计算机共同完成的。由于目前机器智能水平尚不能满足所有实际作业的需要，因此有必要把人引入其中，将目前机器智能尚无法实现的功能由人来完成，这就使监控型水下机器人的能力比单纯自治型的大为提高。从这个意义上来说，监控型是自治型的高级形式。 底层控制和高层控制合在一起构成水下机器人的控制结构，也叫水下机器人的体系结构。