船舶與海洋工程進展

1、船舶工程學院船舶與海洋工程進展（小論文）學 號：S313010019專 業(yè)：船舶與海洋工程學生姓名：潘 茂 華任課教師: 龐永杰 教授2013年12月水下機器人的發(fā)展及設計潘茂華哈爾濱工程大學摘 要：21世紀是人類向海洋進軍的世紀，深海作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術領 域，已經(jīng)成為各國的重要戰(zhàn)略目標，也是國際上激烈競爭的焦點之一。水下機器人作為一個復雜的系統(tǒng),集成了人工智能、水下目標的探測和識別、數(shù)據(jù)融合、智能控制以及導航和通信各子系統(tǒng),是一個可以在復雜海洋環(huán)境中執(zhí)行各種軍用和民用任務的平臺.本文著重介紹了水下機器人的發(fā)展史和設計,主要考慮了水動力性能和結構設計并對未來的發(fā)展提出了自己的看法。

2、關鍵字：水下機器人 人工智能 推進 1水下機器人的研究背景隨著現(xiàn)代社會的持續(xù)發(fā)展和科學技術的不斷進步，人類的活動范圍日益擴大。目前地球表面與太空領域已在很大程度上被人類開發(fā)利用，并取得了長足的進展，而同樣與人類密切相關的海洋尚處于待開發(fā)狀態(tài)。海洋這一廣闊的水域，蘊藏著豐富的礦物資源、海洋生物資源和海水化學能源，是人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要財富。研究和合理開發(fā)海洋，對經(jīng)濟和社會的發(fā)展具有重要意義。何況，目前地球生態(tài)環(huán)境日益惡化，人類也必須更好地使占地球面積接近四分之三的海洋免受環(huán)境污染，從而高效地利用它來造福人類。21世紀是人類向海洋進軍的世紀，深海作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術領 域，已經(jīng)成為各

3、國的重要戰(zhàn)略目標，也是國際上激烈競爭的焦點之一。在各種海洋技術中，作為用在一般潛水技術中不可能到達的深度進行綜合考察和研究并能完成多種作業(yè)的水下機器人的出現(xiàn)，標志著海洋開發(fā)進入了新時代。水下機器人是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械或其他工具代替或輔助人類去完成水下工作任務的裝置。它作為一種高技術手段，在海洋的開發(fā)與利用中扮演著極其關鍵的角色，其重要性不亞于飛船、火箭在探索宇宙空間中的作用。由于海洋勘察任務相當復雜，水下實施作業(yè)各不相同，所以水下機器人的機械構造、動作原理、使用目的也多種多樣。水下機器人有很多不同的分類方法，其中按照與母船之間有無電纜可分為有

4、纜水下機器人（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）和無纜水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV）。有纜水下機器人又稱遙控水下機器人，是通過電纜由母船向水下潛器提供動力和實施遙控的；無纜水下機器人又稱自治式水下機器人，它自帶動力，依靠自身攜帶的計算機和嵌入式機器智能來執(zhí)行航行任務。小型遙控水下機器人已廣泛用于以下幾個方面：管道容器檢查：市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫檢查；排污/排澇管道、下水道檢查；洋輸油管道檢查；跨江、跨河管道檢查船舶河道海洋石油：船體檢修；水下錨、推進器、船底探查；碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查；航

5、道排障、港口作業(yè)；鉆井平臺水下結構檢修、海洋石油工程；科學研究教學：；水環(huán)境、水下生物的觀測、研究和教學；海洋考察；冰下觀察水下娛樂：水下電視拍攝、水下攝影；潛水、劃船、游艇；看護潛水員，潛水前合適地點的選擇能源：核電站反應器檢查、管道檢查、異物探測和取出；水電站船閘檢修；水電大壩、水庫堤壩檢修(排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修)安全：檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結構好壞情況；遙控偵察、危險品靠近檢查；水下基陣協(xié)助安裝/拆卸；船側、船底走私物品檢測(公安、海關)；水下目標觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等；搜尋水下證據(jù)(公安、海關)；海上救助打撈、近海搜索；考古：水下考古、水下沉船考察漁業(yè)：深水網(wǎng)箱

6、漁業(yè)養(yǎng)殖，人工漁礁調查無人無纜潛水器尚處于研究、試用階段，還有一些關鍵技術問題需要解決。無人無纜潛水器將向遠程化、智能化發(fā)展，其活動范圍在2505000公里的半，徑內。這就要求這種無人無纜潛水器有能保證長時間工作的動力源。在控制和信息處理系統(tǒng)中，采用圖像識別、人工智能技術、大容量的知識庫系統(tǒng)，以及提高信息處理能力和精密的導航定位的隨感能力等。如果這些問題都能解決了，那么無人無纜潛水器就能是名副其實的海洋智能機器人。海洋智能機器人的出現(xiàn)與廣泛使用，為人類進入海洋從事各種海洋產(chǎn)業(yè)活動提供了技術保證。2水下機器人的歷史發(fā)展1988年，美國國防部的國防高級研究計劃局與一家研究機構合作，投資2360萬美

7、元研制兩艘無人無纜潛水器。1990年，無人無纜潛水器研制成功，定名為“UUV”號。這種潛水器重量為6.8噸，性能特別好，最大航速10節(jié)，能在44秒內由0加速到10節(jié)，當航速大于3節(jié)時，航行深度控制在土1米，導航精度約0.2節(jié)/小時，潛水器動力采用銀鋅電池。這些技術條件有助于高水平的深海研究。另外，美國和加拿大合作將研制出能穿過北極冰層的無人無纜潛水器。據(jù)報導，在1993年前，這種穿越北極冰層的無人無纜潛水器將會問世，美國將建造兩艘，英國也建造兩艘，瑞典將建造一艘。無人有纜潛水器的研制開始于70年代，80年代進入了較快的發(fā)展時期。日本 1987年，日本海事科學技術中心研究成功深海無人遙控潛水器“

8、海鲀3K”號，可下潛3300米。研制“海鲀3K”號的目的，是為了在載人潛水之前對預定潛水點進行調查而設計的，供專門從事深海研究的，同時，也可利用“海鲀3K”號進行海底救護。“海鲀3K”號屬于有纜式潛水器，在設計上有前后、上下、左右三個方向各配置兩套動力裝置，基本能滿足深海采集樣品的需要。1988年，該技術中心配合“深海6500”號載人潛水器進行深海調查作業(yè)的需要，建造了萬米級無人遙控潛水器。這種潛水器由工作母船進行控制操作，可以較長時間進行深海調查。這種潛水器可望在1992年內建成，總投資為40億日元。日本對于無人有纜潛水器的研制比較重視，不僅有研究項目，而且還有較大型的長遠計劃。如今，日本正

9、在實施一項包括開發(fā)先進無人遙控潛水器的大型規(guī)劃。這種無人有纜潛水器系統(tǒng)在遙控作業(yè)、聲學影像、水下遙測全向推力器、海水傳動系統(tǒng)、陶瓷應用技術水下航行定位和控制等方面都要有新的開拓與突破。這項工作的直接目標是有效地服務于200米以內水深的油氣開采業(yè)，完全取代由潛水人員去完成的危險水下作業(yè)。歐洲 在無人有纜潛水技術方面，始終保持了明顯的超前發(fā)展的優(yōu)勢。根據(jù)歐洲尤里卡計劃，英國、意大利將聯(lián)合研制無人遙控潛水器。這種潛水器性能優(yōu)良，能在6000米水深持續(xù)工作250小時，比正在使用的只能在水下4000米深度連續(xù)工作只有l(wèi)2小時的潛水器性能優(yōu)良的多。按照尤里卡EU-191計劃還將建造兩艘無人遙控潛水器，一艘

10、為有纜式潛水器，主要用于水下檢查維修；另一艘為無人無纜潛水器，主要用于水下測量。這項潛水工程計劃將由英國；意大利、丹麥等國家的l7個機構參加。英國科學家研制的“小賈森”有纜潛水器有其獨特的技術特點，它是采用計算機控制，并通過光纖溝通潛水器與母船之間的聯(lián)系。母船上裝有4臺專用計算機，分別用于處理海底照相機獲得的資料，處理監(jiān)控海彈環(huán)境變化的資料，處理海面環(huán)境變化的資料，處理由潛水器傳輸回來的其他有關技術資料等。母船將所有獲得的資料。經(jīng)過整理，通過微波發(fā)送到加利福尼亞太平洋格羅夫研究所的實驗室，并貯存在資料庫里。法國 1980年法國國家海洋開發(fā)中心建造了“逆戟鯨”號無人無纜潛水器，最大潛深為6000

11、米?！澳胬述L”號潛水器先后進行過130多次深潛作業(yè)，完成了太平洋海底錳結核調查海底峽谷調查、太平洋和地中海海底電纜事故調查、洋中脊調查等重大課題任務。1987年，法國國家海彈開發(fā)中心又與一家公司合作，共同建造“埃里特”聲學遙控潛水器。用于水下鉆井機檢查、海底油機設備安裝、油管輔設、錨纜加固等復雜作業(yè)。這種聲學遙控潛水器的智能程度要比“逆戟鯨”號高許多。3中國水下機器人的發(fā)展概況1977年召開的中國科學院自然科學學科規(guī)劃會議將發(fā)展機器人項目列入規(guī)劃。蔣新松院士在當年組團赴日考察回國后提出了發(fā)展水下機器人的設想。從此，沈陽自動化研究所鎖定了“下?！睘楹Ｑ箝_發(fā)服務，搞智能機器在海洋中的應用研究的戰(zhàn)略

12、目標，決心“要下五洋捉鱉”。1983年該項課題正式列為中國科學院重點課題，開創(chuàng)了智能機器人科研領域，為水下機器人的研究開發(fā)奠定了基礎。 二十年來，“水下機器人”由院重點，進而持續(xù)列入“六五”、“七五”、“八五”、“九五”和“十五”國家重點項目，成為國家863計劃自動化領域智能機器人主題項目的重點內容。RECON-IV水下機器人具有較強功能和可靠性，已成為國際知名品牌，生產(chǎn)的多臺設備出口國際市場，還有的長年在為南海石油鉆井平臺提供技術服務；“海潛一號”和“金魚號”輕型水下機器人在沿海和內湖地區(qū)的水下探查、考古等作業(yè)起到重要作用；“海潛二號”水下機器人以其強作業(yè)功能為國家安全提供了有力的技術支持；

13、用于海底光纜埋設的爬行式水下機器人；“海星號”是我國第一臺海底自走式海纜埋設機，目前已完成研制工作并投入實際應用。 作為總體單位在國家“863”計劃支持下完成的潛深1000米“探索者”和潛深6000米“CR-01”、“CR-02”無纜自治水下機器人標志著我國自治水下機器人技術在國際上處于領先地位。6000米水下機器人工程項目是國家“863”計劃項目的重中之重。1995年8月，與俄羅斯合作研制的6000米水下機器人完成深海試驗。1996年8月起正式實施了水下6000米自治機器人的工程化項目。其目標是為中國大洋協(xié)會進行大洋調查提供水下6000米自治機器人實用樣 機。有關專家認為，該水下機器人是目前

14、世界上最先進的洋底探測設備。CR系列高性能水下機器人能進行六千米深水錄像、拍照和海底地勢與剖面測量、水文測 量、海底多金屬結核豐度測定，海底沉物目標搜索和觀察，自動記錄各種數(shù)據(jù)包括圖像和機器人水下運動軌跡及其坐標位置，還可按預編程航行和工作，自動避障， 具有故障自診斷和應急上浮功能，并能提供指令遙控。這表明，中國已有圓滿解決這些高技術的能力和手段，而且已進入洋底多金屬結核資源探測應用的實用階段。 6000米水下機器人的研制成功，使中國一躍成為世界上具有研制這種自治水下機器人能力的少數(shù)幾個國家之一，它可到達世界上除海溝之外的全部海底區(qū)域，即 全部有經(jīng)濟前景的海底，占海洋面積的98，為中國進軍國際

15、海洋區(qū)域、開發(fā)大洋資源提供了強有力的技術手段和工具。該所目前正在研制潛深7000米水下載人機器人又被稱作“海底衛(wèi)星”，預計將在2005年投入使用。這意味著中國將擁有對包括深海海溝在內 的復雜海域進行詳細探測的能力，中國開發(fā)海洋資源的步伐將大大加快。目前，世界上只有俄羅斯、美國、日本等國家擁有類似潛深的水下載人機器人。目前蛟龍?zhí)栞d人潛水器完成7000米級海試第五次下潛試驗后安全返回，本次下潛最大深度達到7062.68米，超過上次下潛深度43米，創(chuàng)造中國載人潛水器的新紀錄。4水下機器人的設計及技術水下無纜自治機器人的研制，涉及到自動化、計算機、水聲、深潛、水動力、材料、能源等各種專業(yè)，需要解決水中

16、通訊、高壓密封、自主航行控制、動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、各種信息的采集和處理、特種材料以及可靠性等高技術。4.1水動力性能分析國際上對六自由度（DOF）水下機器人在水中的位置、姿有一套標準的矢量符號。表3-1給出了SNAME表示法的力與moments）、速度（Velocities）和位置（Position）的定義。進退（Surge）：沿x軸的直線運動，沿x軸正向的運動稱為前進，反之稱為后退側移（Sway）：沿y軸的直線運動，也稱橫移，沿y軸正向的運動稱為右移，反之稱為左移潛?。℉eave）：沿z軸的直線運動，沿z軸正向的運動稱為下潛，反之稱為上浮橫搖（Roll）：以x軸為中心的轉動，也稱橫傾，橫傾角

17、右傾為正，反之為負縱傾（Pitch）：以y軸為中心的轉動，縱傾角抬艏（即尾傾）為正，反之為負回轉（Yaw）：以z軸為中心的轉動，也稱搖艏，艏向角右轉為正，反之為負通常情況下，以上矢量可表示為：在面對水下機器人的推導中，為了計算水下機器人的位移和方向，進行變換矩陣以及線速度和角速度的計算時假設機器人的線加速度和角加速度是已知的。但在實際情況下，它們取決于作用于機器人上的力與力矩的大小。研究水動力特性有兩方面的意義：一是從操縱性的角度研究水下機器人載體的穩(wěn)定性和快速性；二是在設計控制系統(tǒng)時需要考慮水動力的影響，以便建立水下機器人的數(shù)學模型。水下機器人的動力學可分為兩部分：剛體力和水動力與力矩。剛體

18、可以看成由許多質點組成的一個系統(tǒng)，在其作定軸轉動的過程中各質點的位移、速度和加速度等線量是可以各不相同的，但是各質點的角位移、角速度和角加速度等角量卻是相同的。掌握剛體運動的這種特性是動力學建模的基礎，因為角量是剛體整體運動特征的描述，而線量則是剛體上各個質點運動的描述。剛體力與力矩滿足以下公式：水動力阻力對六自由度水動力阻力與力矩進行精確建模是一項比較困難的任務，特別是對水下機器人進行速度控制。當前進速度充分大的時候，非線性動力學成為主要因素，而且自由度之間的耦合效應非常大。實際上，為了描述總的水動力阻力，大量水動力升力和阻力系數(shù)的存在是必要的。即使通過廣泛流域測試和海上試航，這也是一個相當

19、繁瑣的過程。因此，研究者通常通過經(jīng)驗公式的組合、模型試驗和計算流體動力學（CFD）來計算阻力系數(shù)。然而，有些經(jīng)驗公式卻不適用于六自由度水動力系統(tǒng)，所以結合流體理論的方法應運而生。包含了主要阻力因素的整體阻力矩陣可以寫成：恢復力與力矩在流體力學理論中，重力和浮力的合力被稱作是恢復力。重力作用在機器人的重心。同樣，浮力也作用在中心位置?；謴土谘貦C器人的軸向上產(chǎn)生分力。定義了淹沒在水下部分的重力，是重力加速度，浮力可以用?表示，?為機器人排出水的體積。在本研究中，可以零浮力化，即。因此，水下機器人的橫搖（Roll）、縱傾（Pitch）和回轉（Yaw）產(chǎn)生的恢復力與力矩可以通過式3-17表述：4.

20、2結構設計在水下機器人的設計過程中，一般先通過經(jīng)驗公式對各類結構件和部件進行構圖設計、鑄模制作，進而通過實際試驗的方法檢驗設計的合理性，最后對不合理的地方進行優(yōu)化后重新加工試制。這不僅使產(chǎn)品的研發(fā)設計效率低下，同時也浪費了一定的人力、物力。而集成了CADCAECAMPDM等先進功能的Solidworks 三維實體設計開發(fā)系統(tǒng)，不僅具有三維和二維圖的繪制功能，而且具有有限元分析、流體分析和運動分析等強大的輔助功能。因此，將Solidworks應用于水下機器人設計，將會提高設計者效率，避免設計工作中的重復和浪費。Solidworks 中具有結構分析功能的插件是Solidworks Simulati

21、on，該插件是一款基于有限元（FEA 數(shù)值）技術的分析軟件，通過與Solidworks 的無縫集成，在工程實踐中發(fā)揮了越來越大的作用。Solidworks Simulation 是專為Windows 操作系統(tǒng)開發(fā)的，功能強大，易學易用。運用Simulation 插件，普通的工程師就可以進行工程分析，并可以迅速得到分析結果，從而最大限度地縮短產(chǎn)品設計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品品質。Solidworks Simulation 基本模塊能夠提供廣泛的分析工具，來檢驗和分析復雜零件和裝配體，能夠進行應力分析、應變分析、熱分析、設計優(yōu)化、線性和非線性分析等。下面通過兩個方面的分析應用，來說明這個仿真插

22、件的用途。水下機器人的耐壓殼體，是各類電子設備在水下的保護體，必須具有足夠的強度來承受海水壓力，確保內部設備的安全。大多數(shù)的水下機器人耐壓殼體，為球型和圓筒型，實際使用中可視為承受外部壓力的壓力容器，其受力破壞形式為強度破壞和屈曲失穩(wěn)。在水下機器人耐壓殼體設計中，一般先根據(jù)殼體內安裝設備要求確定艙內直徑，然后采用經(jīng)驗公式確定殼體的壁厚，最后用壓力容器設計校核理論，對結構進行各類強度校核。整個過程中的強度校核，采用傳統(tǒng)理論方法相當繁瑣，利用Solidworks 的結構分析功能，將使結構強度校核變得簡單、快捷。以圓筒型耐壓殼體為例：圓筒長度L = 800 mm；直徑D = 500 mm；殼體材料選

23、用5454 鎂鋁合金（彈性模量E = 70GPa，泊松比0.3，屈服強度180 MPa）；設水下機器人最大潛深1 000 m，則計算壓力值P1 = 101.2 = 12 MPa（安全系數(shù)取1.2）。根據(jù)水下耐壓圓柱殼體臨界壓力計算公式拉姆公式圖1 水下推進器安裝方式圖，2 推進器支撐架簡化圖，圖3 支撐架應力初步分析，圖4 優(yōu)化前后的模型對比運行優(yōu)化算例，得到最終的優(yōu)化結果如圖6 所示，優(yōu)化后的最大von Mises 應力為156.87 MPa，筒壁厚度t = 24.5 mm。根據(jù)優(yōu)化結果可以看出，若圓筒耐壓殼體中間不考慮設置加強肋，則其筒壁厚度設計時，必須保證t 24.5 mm。Solidw

24、orks 結構分析插件Simulation，可直接對Solidworks 三維模型進行各類應力、應變分析和結構優(yōu)化，在水下機器人的設計中用于結構件強度校核、尺寸優(yōu)化具有顯著優(yōu)勢，避免了繁瑣的數(shù)學計算，并且更加接近于實際工況。4.3動力4.3.1螺旋槳推進船舶推進器的種類很多，最古老的要算篙了，它可撐著船前進。后來又發(fā)明了槳和櫓，它們一直沿用至今。隨后是利用風帆作為推進工具，出現(xiàn)了多種形式的帆船。隨著機器在船上的應用，就出現(xiàn)了明輪推進器。19世紀初出現(xiàn)了螺旋槳推進器。為了證明螺旋槳的優(yōu)越性, 英國海軍組織了一場有趣比賽:把動力相當?shù)摹绊懳采咛枴甭菪龢喆汀皭劾锟送刑枴泵鬏嗊M行了競賽。兩艘船的船

25、尾用粗纜繩系起來，讓它們各朝相反的方向駛去?！绊懳采咛枴钡穆菪龢w快地旋轉，“愛里克托號”的明輪猛烈地向后撥水。先是互不相讓，但過了一會兒，“響尾蛇號”就把“愛里克托號”拖走了。這場比賽證明了螺旋槳的優(yōu)越性。從此，螺旋槳輪船就取代了明輪。螺旋槳俗稱車葉，由若干槳葉所組成。槳葉的數(shù)目通常為三葉、四葉或五葉，各葉片之間相隔的角度相等。螺旋槳通常裝在船的尾部，螺旋槳與艉軸的連接部分稱為轂，槳葉就固定在轂上。有船尾向船首看時，所看到的螺旋槳槳葉的一面稱為葉面（壓力面），另一面稱為葉背（吸力面）。槳葉的外端為葉梢，而與轂的連接處稱為葉根。螺旋槳旋轉時葉梢的圓形軌跡為梢圓，此圓稱為螺旋槳槳盤，直徑稱為螺旋

26、槳直徑，其面積稱為盤面積。螺旋槳正車旋轉時，有船尾向船首看所見到的旋轉方向為順時針方向的稱為右旋槳，反之為左旋槳。雙槳船的螺旋槳裝在船尾二側，正常旋轉時，若其上都向著船中線轉動的稱為內旋槳，反之為外旋槳。螺旋槳直徑的大小往往受到船舶吃水的限制。一般來說，螺旋槳直徑愈大轉速愈低，其效率愈高。螺旋槳與船的尾框要有良好的配合，避免葉尖露出水面而影響效率。螺旋槳船體間隙要適當，以避免引起嚴重的振動。螺旋槳旋轉時，把水往后推。根據(jù)力的作用與反作用的原理，水給螺旋槳以反作用力，這就是推力，推船前進。螺旋槳的運動情況同螺釘?shù)倪\動情況極為相似。把螺釘旋轉一圈，它就在螺帽中向前推進一段距離，這段距離稱為螺距。螺

27、旋槳的槳葉葉面（壓力面）通常是螺旋面的一部分，就像螺釘?shù)穆菁y的一部分那樣，不過螺旋槳是在水中運動的，水取代的螺帽的地位。4.3.2噴水推進噴水式推進器是利用噴射管噴出的高速水流的反作用提供推力的一種推進裝置, 多用于中小型高速船舶上. 使用噴水推進器的水下機器人的優(yōu)點是幾乎取消了其上的全部附體, 而且消除了螺旋槳的空泡損失, 較容易操縱 3 . 目前使用的噴水推進器一般由水泵和管系組成, 水泵一般選擇軸流泵、離心泵和混流泵. 噴水推進器的管系包括進水管、噴水管和整流片等, 管道會消耗部分能量.對船舶用噴水推進器沖洗型進水管內水流產(chǎn)生的渦流進行了分析, 驗證有7% 9%的能量損失在流動分離上.

28、而且由于增加了管道中水的重量, 使得艦船排水量增加, 不適用于小型水下機器人. 同時, 傳統(tǒng)噴水推進器價格較高, 更換推進水泵的葉輪較為復雜。提出一種利用行星齒輪傳動的雙作用四柱塞液壓泵. 它不同于現(xiàn)有柱塞泵由凸輪、曲柄連桿或斜盤實現(xiàn)往復運動的方式, 沒有滑靴等高壓力作用下高速滑移的元件, 工作穩(wěn)定, 使用壽命長. 本文提出一種利用行星輪系推進的結構簡單、泵和管系結合起來的噴水式推進器, 沒有復雜的附屬裝置,能夠降低水下機器人自身的重量, 提高推進器綜合效率.4.3.3溫差推進海洋能通常是指海洋本身所蘊藏的能量，它包括潮汐能、波浪能、海流能、溫差能、鹽差能和化學能，不包括海底或海底下儲存的煤、

29、石油、天然氣等化石能源和“可燃冰”，也不包含溶解于海水中的鈾、鋰等化學能源。海洋能有如下特點：（1）可在生性，由于海水潮汐、海流和波浪等運動周而復始，永不休止，所以海洋能是可再生能源；（2）屬于一種純凈能源；（3）能量多變，具有不穩(wěn)定性，運用起來比較困難；（4）總量巨大，但分布分散、不均，能流密度低，利用效率不高，經(jīng)濟性差。海洋總面積為3.61億Km，約占全球總面積的71，海洋儲水量約為全球總水量的97，太陽恩賜給地球的熱能，大部分被海水吸收和儲存，因此，海洋是最大的太陽能收集器，海水中的海洋能蘊藏量也就十分巨大。具權威人士計算，全世界海洋能的理論可再生量超過760億KW，其中，溫差能約400

30、億KW，鹽差能300億KW，潮汐能大于30億KW，波浪能約30億KW。僅6000萬Km。熱帶海洋一天也能吸收相當于2500億桶石油熱量的太陽輻射能，若將其中的1轉化為電力，也將有140億KW的裝機容量。自治沉浮式水下機器人的溫差能驅動裝置的基本原理如圖2-1所示。驅動裝置利用溫差變化，通過工作液體的液固兩相轉換而改變浮力以實現(xiàn)動力驅動。水下機器人在升沉過程中，裝置從溫暖的表層海水中吸收能量；當其達到深水中，由于溫度降低而將能量釋放出來。這就引起了裝置內部工作液體狀態(tài)發(fā)生變化,液體狀態(tài)變化導致其體積變化。體積變化提供了裝置質量恒定狀態(tài)下足夠的浮力變化，這使得裝置能以一定的速度上升和下降。浮力的這

31、種變化，來源于溫差能源，是水下機器人驅動的主要能源。具體而言，驅動能量是由能量交換器（1）液態(tài)工作介質中的熱量流入或流出獲得，液態(tài)工作介質在凝固時收縮，而在融化時膨脹。膨脹和收縮時所獲得的體積變化能過傳導液體(可選擇乙烯乙二醇)在系統(tǒng)內進行傳遞。工作腔（2）是一個儲能器，里面裝有氮氣和傳導液體，氮氣的壓力略高于外部海洋的最大壓力。溫差能驅動裝置實現(xiàn)熱力學循環(huán)的四個階段如圖21所示。圖2-1（a）描述裝置在溫暖的表層海水中處于穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，此時氮氣N2被壓縮，外部皮囊膨脹，工作液體膨脹。4.4控制水下機器人的運動具有明顯的非線性與交叉耦合性. 為了完成不同的任務,要求水下機器人在多個自由度上有較高的控制精度. 所以,需要建立完善的集成運動控制系統(tǒng),使之能夠緊急避障(基于行為的反映) 并與控制信息進行統(tǒng)一描述,同時將信息融合、故障診斷、容錯控制策略集成.考慮到水下機器人運動的時變性、環(huán)境的復雜性和不確定性,很難建立精確的水下機器人運動模型. 多數(shù)研究人員把注意力和精力放在神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊邏輯控制技術上. 神經(jīng)網(wǎng)絡控制的優(yōu)點是充分考慮到了水下機器人的強非線性和各個自由度之間的耦合性,能夠跟蹤學習系統(tǒng)自身或外圍環(huán)境的緩慢變化. 其缺點是結構和參數(shù)不易確定,同時當外界干擾的幅度和周期跟水下機器人自身的運動幅度和周期相近,神經(jīng)網(wǎng)絡的學習就出現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象,使得控制出現(xiàn)