智能水下機器人

第3章智能水下機器人

1概述水下機器人，也稱無人遙控潛水器。一種工作于水下的極限作業(yè)機器人，能潛入水中代替人完成某些操作，又稱潛水器。水下環(huán)境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。從1953年美國研制出世界上第一艘無人有纜遙控潛水器到現(xiàn)在，其發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段：1.1第一階段從1953年至1974年為第一階段，主要進行潛水器的研制和早期的開發(fā)工作。先后研制出20多艘潛水器。其中美國的CURV系統(tǒng)在西班牙海成功地回收一枚氫彈，引起世界各國的重視。1.2第二階段1975至1985年是遙控潛水器大發(fā)展時期。海洋石油和天然氣開發(fā)的需要，推動了潛水器理論和應(yīng)用的研究，潛水器的數(shù)量和種類都有顯著地增長。載人潛水器和無人遙控潛水器（包括有纜遙控潛水器、水底爬行潛水器、拖航潛水器、無纜潛水器）在海洋調(diào)查、海洋石油開發(fā)、救撈等方面發(fā)揮了較大的作用。1.3第三階段1985年，潛水器又進入一個新的發(fā)展時期。世界上許多國家開始研究各類用途的潛水器，如民用潛水器、軍事潛水器等，并且取得了許多關(guān)鍵技術(shù)的突破和一些新的研究成果。80年代以來,中國也開展了水下機器人的研究和開發(fā)，研制出“海人”1號(HR-1)水下機器人,成功地進行水下實驗。第3章智能水下機器人

2水下機器人應(yīng)用水下機器人之所以在近些年來一直受到許多國家的青睞，是因為它在許多方面有著重要的應(yīng)用，多一個國家的經(jīng)濟、軍事等的方面的發(fā)展，起著重要的作用。2.1在軍事方面的應(yīng)用水下機器人在軍事上應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：（1）水雷對抗。美國現(xiàn)役的“近期水雷偵查系統(tǒng)”以及正在開放的“曼塔”水下機器人的主要用途就是魚雷對抗。因此，水下機器人的應(yīng)用極大地提高了各國海軍的水雷對抗水平。（2）情報搜集。水下機器人可以執(zhí)行潛艇或者睡眠艦艇的進行路徑，偵查敵人港口或者海岸區(qū)的軍事活動情況，見識雷區(qū)與海上通道等情報搜集任務(wù)。（3）海洋環(huán)境監(jiān)測。（4）通信中繼。在某些特殊的領(lǐng)域通信條件受到限制時，可以利用水下機器人作為通信接口，完成通信任務(wù)。（5）其他軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。例如后勤支援與深水救援等。2.2管道容器檢查方面的應(yīng)用（1）市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫檢查（2）排污/排澇管道、下水道檢查（3）洋輸油管道檢查（4）跨江、跨河管道檢查2.3船舶河道海洋石油方面應(yīng)用第3章智能水下機器人

（1）船體檢修；水下錨、推進器、船底探查（2）碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查；（3）航道排障、港口作業(yè)（4）鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程2.4科學(xué)研究教學(xué)方面應(yīng)用（1）水環(huán)境、水下生物的觀測、研究和教學(xué)（2）海洋考察（3）冰下觀察2.5水下娛樂方面應(yīng)用（1）水下電視拍攝、水下攝影（2）潛水、劃船、游艇（3）看護潛水員，潛水前合適地點的選擇2.6能源方面應(yīng)用（1）核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測和取出（2）水電站船閘檢修；（3）水電大壩、水庫堤壩檢修(排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修)2.7安全方面應(yīng)用（1）檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結(jié)構(gòu)好壞情況（2）遙控偵察、危險品靠近檢查；（3）水下基陣協(xié)助安裝/拆卸（4）水下目標觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等；（5）搜尋水下證據(jù)(公安、海關(guān))（6）海上救助打撈、近海搜索；第3章智能水下機器人

（1）船體檢修；水下錨、推進器、船底探查（2）碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查；（3）航道排障、港口作業(yè)（4）鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程2.4科學(xué)研究教學(xué)方面應(yīng)用（1）水環(huán)境、水下生物的觀測、研究和教學(xué)（2）海洋考察（3）冰下觀察2.5水下娛樂方面應(yīng)用（1）水下電視拍攝、水下攝影（2）潛水、劃船、游艇（3）看護潛水員，潛水前合適地點的選擇2.6能源方面應(yīng)用（1）核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測和取出（2）水電站船閘檢修；（3）水電大壩、水庫堤壩檢修(排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修)2.7安全方面應(yīng)用（1）檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結(jié)構(gòu)好壞情況（2）遙控偵察、危險品靠近檢查；（3）水下基陣協(xié)助安裝/拆卸（4）水下目標觀察，廢墟、坍塌礦井搜救等；（5）搜尋水下證據(jù)(公安、海關(guān))（6）海上救助打撈、近海搜索；第3章智能水下機器人

3水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀3．1國外水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀國外水下機器人技術(shù)的發(fā)展，主要以美國、日本以及西方發(fā)達國家為代表，他們的發(fā)展技術(shù)幾乎可以代表了全世界水下機器人技術(shù)的發(fā)展水平。\著名的一些研究機構(gòu)有美國麻省理工學(xué)院MITSeaGrant’sAUV實驗室、美國海軍研究生院智能水下運載研究中心、美國伍慈侯海洋學(xué)院、美國佛羅里達大西洋高級海洋系統(tǒng)實驗室、美國緬因州大學(xué)海洋系統(tǒng)工程實驗室、美國夏威夷大學(xué)自動化系統(tǒng)實驗室、日本東京大學(xué)機器人應(yīng)用實驗室、英國還是技術(shù)中心等。美國是最先發(fā)展水下機器人的國家，他們掌握著水下機器人較高的技術(shù)水平。由美國海軍研究生院的PhoenixAUV和性能更優(yōu)越的AriesAUV,主要用于研究智能控制、規(guī)劃與導(dǎo)航、目標識別等技術(shù);麻省理工學(xué)院的智能機器人OdysseyII主要用于海冰下的檢測和標圖;斯坦福大學(xué)的OTTER的研究目的是使其成為科學(xué)和工業(yè)界在開發(fā)海洋的一種常用工具;美國的新罕布什爾州自主水下系統(tǒng)研發(fā)所與俄羅斯遠東科學(xué)院水下技術(shù)研究所聯(lián)合開發(fā)出太陽能自主水下機器人,其計劃的最終目的是開發(fā)一艘具有超過一年續(xù)航力的太陽能自主水下機器人[3]。美國麻省理工學(xué)院(MIT)的布魯克斯(RodneyA.Brooks)模擬人類大腦物理結(jié)構(gòu)的基于連接主義的反射性,以移動式機器人研究為背景,提出以一種依據(jù)行為來劃分層次和構(gòu)造模塊的思路[4]。它的特點基本與分層遞階體系相反。第3章智能水下機器人

日本憑借其在智能機器人先進技術(shù)的優(yōu)勢，在水下機器人方面也不甘落后，取得了突躍式的進步，并且成為這個領(lǐng)域的佼佼者。智能水下機器人是將人工智能、自動控制、模式識別、信息融合與理解、系統(tǒng)集成等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的載體上,在無人駕駛的情況下自主地完成復(fù)雜海洋環(huán)境中預(yù)定任務(wù)的機器人[4]。日本對于無人有纜潛水器的研制比較重視，不僅有近期的研究項目，而且還有較大型的長遠計劃。目前，日本正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(xué)影像、水下遙測全向推力器、海水傳動系統(tǒng)、陶瓷應(yīng)用技術(shù)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(wù)于200米以內(nèi)水深的油氣開采業(yè)，完全取代目前由潛水人員去完成的危險水下作業(yè)。歐洲方面，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，比現(xiàn)在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(gòu)參加。第3章智能水下機器人

法國方面，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米。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(xué)遙控潛水器。用于水下鉆井機檢查、海底油機設(shè)備安裝、油管輔設(shè)、錨纜加固等復(fù)雜作業(yè)。這種聲學(xué)遙控潛水器的智能程度要比“逆戟鯨”號高許多。1688年，美國國防部的國防高級研究計劃局與一家研究機構(gòu)合作，投資2360萬美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(nèi)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(dǎo)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(shù)條件有助于高水平的深海研究。3.2國內(nèi)水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀我國從上世紀70年代開始較大規(guī)模地開展?jié)撍餮兄乒ぷ?起步較其他發(fā)達國家晚了很多，但是在過去的幾十年內(nèi)，我國水下機器人技術(shù)的發(fā)展還是取得了很大的進步，并且取得了一些重要的成果。我國先后研制成功以援潛救生為主的7103艇(有纜有人)、I型救生鐘(有纜有人)、QSZ單人常壓潛水器(有纜有人)、8A4水下機器人ROV(有纜無人)和軍民兩用的HR—01ROV,RECONIVROV及CR-01A6000m水下機器人AUV(無人無纜)等,使我國潛水器研制達到了國際先進水平[2]。2011年7月26日上午，中國載人潛水器“蛟龍”號在第二次下潛試驗中成功突破5000米水深大關(guān)，最大下潛深度達到5057米，創(chuàng)造了中國載人深潛新的歷史，“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器5000米深潛成功，意味著中國載人深潛水平已位居世界前列。標志著中國具備了到達全球70%以上海洋深處進行作業(yè)的能力，極大增強了中國科技工作者進軍深海大洋、探索海洋奧秘的信心和決心。第3章智能水下機器人

4水下機器人的發(fā)展趨勢21世紀將是海洋的世紀,隨著技術(shù)的進步,各式各樣的水下機器人將以更快的速度發(fā)展起來看,將采用遙控、監(jiān)控、預(yù)編程、局部自治或其組合等,這會使水下機器人的應(yīng)用更加廣泛。隨著陸地資源和能源的日益缺乏，越來越多的科學(xué)家開始把目光轉(zhuǎn)向了海洋，這無疑會極大地促進水下機器人技術(shù)的發(fā)展，在未來，那個能率先掌握更發(fā)達的水下機器人技術(shù)，他就會掌管巨大的海底資源。但是目前水下機器人技術(shù)方面還存在一些難題。例如水下遙控機器人水下大數(shù)據(jù)率的信息傳輸仍無法以無纜的形式徹底解決[3]。未來水下機器人發(fā)展趨勢有以下見點：一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用大容量計算機，實施處理資料和進行數(shù)字控制；三是潛水器上的機械手采用多功能，力反饋監(jiān)控系統(tǒng)：四是增加推進器的數(shù)量與功率，以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。在無人潛水器（UUV）動力方面，高能量密度的燃料電池和小型緊湊型熱氣機是未來UUV動力系統(tǒng)的主要發(fā)展方向[5]。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力，這些都會成為未來水下機器人的發(fā)展方向。第3章智能水下機器人

3.1智能水下機器人發(fā)展與分類

3.1.1概述海洋的誘惑人類今天正面臨著人口、資源和環(huán)境三大難題。隨著各國經(jīng)濟的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正在日益減少。為了生存和發(fā)展，人們開始向海洋進軍，向其他星球進軍，海上石油的開采正是這一大進軍的前哨戰(zhàn)。

海洋占地球表面積的71％，它擁有14億立方公里的體積。在海底及海洋中，蘊藏著極其豐富的生物資源及6000億億噸的礦產(chǎn)資源。海底錳的藏量是陸地的68倍，銅的藏量為22倍，鎳為274倍，制造核彈的鈾的儲藏量高達40億噸，是陸地上的2000倍。海洋還是一個無比巨大的能源庫，全世界海洋中儲存著2800億噸石油，近140億立方米的天然氣。因此，洋底的探測和太空探測類似，同樣具有極強的吸引力、挑戰(zhàn)性。眾所周知，海底世界不僅壓力非常大，而且伸手不見五指，環(huán)境非常惡劣。不論是沉船打撈、海上救生、光纜鋪設(shè)，還是資源勘探和開采，一般的設(shè)備很難完成。于是人們將目光集中到了機器人身上，希望通過機器人來解開大海之迷，為人類開拓更廣闊的生存空間。

智能水下機器人是一種可在智能水下移動、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成智能水下作業(yè)任務(wù)的裝置。

智能水下機器人具有四個基本特點。

(1)可移動性移動是指智能水下機器人在海底爬行、附著在結(jié)構(gòu)物上行進或在海水中浮游。

(2)能夠感知機器人的外部和內(nèi)部環(huán)境特性

(3)擁有完成使命所需的執(zhí)行機構(gòu)

(4)能自主地或在人的參與下完成智能水下作業(yè)3.1.2智能水下機器人分類及用途智能水下機器人種類很多，可根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式、運動方式以及控制、用途等不同的原則進行分類。目前國際上通常將智能水下機器人按圖34分類。

智能水下機器人，也稱智能水下無人潛水器(UUV)，另有一類可以無人也可以載人的潛水器，也稱雙工潛水器。無人潛水器主要分為有纜遙控潛水器(ROV)和無纜自治智能水下機器人(AUV)，另外還有海底爬行智能水下機器人和拖航式智能水下機器人等。

ROV是從水面進行控制，帶有推進器、智能水下電視、智能水下機械手和其他作業(yè)工具，能夠在三維水域運動，由水面提供能源的裝置目前ROV廣泛應(yīng)用在海洋石油開發(fā)、救助打撈和智能水下工程中。ROV的重量在幾公斤至幾十噸之間，航速為2～4kn。由于航速較低且配置設(shè)備較多，大多ROV的結(jié)構(gòu)為開放式框架結(jié)構(gòu)。

AUV自帶能源，無繩智能水下機器人的控制模式采用自治控制方式。所謂自治是指智能水下機器人具有一定的智能，在水中可根據(jù)智能水下環(huán)境和作業(yè)任務(wù)自動完成軌跡規(guī)劃、障礙回避、作業(yè)實施。受人工智能發(fā)展水平的限制，目前可實用的智能水下機器人還不能完全實現(xiàn)自治控制，每次作業(yè)前由人對作業(yè)任務(wù)進行分解并進行任務(wù)規(guī)劃，以預(yù)編程的控制方式保證智能水下機器人按事先計劃的程序完成作業(yè)。3.1.3智能水下機器人發(fā)展概況從16世紀開始，人類開始制造具有真正意義的潛水裝置。這種潛水裝置具有封閉空間，可以凈化空氣，具有觀察窗并帶有推進裝置。關(guān)于第一艘"現(xiàn)代化"的潛水器，通常認為是1890年下水的由西蒙·萊克制造的"阿爾戈納特I"號。

20世紀60年代中期到70年代申期是載人潛水器的鼎盛時期。目前世界上有載人潛水器大約160艘，其中超過6000m的約有4艘。1960年美國海軍的深海潛水器‘特里斯特I“號下潛到11000m深的馬里亞納海溝?！碧乩锼固亍昂头▏摹卑⒒椎隆笆莾H有的兩艘潛深超過6000m的深潛器，除此之外還有美國、法國、前蘇聯(lián)、日本的一些載人潛水器能下潛到6000m的深處。美國1964年建造的"阿爾文"號一直在使用，被認為是載人潛水器中最起作用和效率最高的。參觀“泰坦尼克號”

1912年4月15號，一場震驚世界的大慘案發(fā)生了，號稱“不沉之船”的當時世界上最大的豪華郵輪“泰坦尼克號”，在其處女航中與冰山相撞，在距紐芬蘭368海里的地方沉入3797米深的海底，1523名游客及海員遇難，705人得救。

70多年后的1985年9月1日，美國伍茲霍爾海洋研究所的羅伯特·巴拉德博士和他的兩位同事來到了出事地點，希望能揭開泰坦尼克號沉沒之迷。他們乘坐的阿爾文號潛水器重13801公斤，最大潛水深度為4511米，最大下潛速度為18～30米/分鐘。阿爾文號帶有一臺長約0.71米的有纜遙控機器人，名叫“小杰森”?！靶〗苌毖b有一臺高分辨率的攝像機和強大的照明系統(tǒng)，他可以探測從前無法達到的大洋的最深處。

1986年7月，巴拉德博士的小組又回到了這個地方。7月13日，阿爾文號用它的7盞明亮的燈光照射著北大西洋黑暗的洋底，三位科學(xué)家在前進中搜索著，希望能找到可能就在附近的巨大郵輪的蛛絲馬跡，水母和鯊魚不斷從阿爾文號的窗口旁游過……。

由于載人潛水器是人身臨危險環(huán)境的裝備，它的生命維持系統(tǒng)等使得制造與維持費用十分昂貴，而且使用不方便，70年代后載人潛水器的發(fā)展進入低谷。隨著技術(shù)的進步，可制造出無人的潛水器，代替人去深海的危險環(huán)境中工作，于是智能水下機器人便應(yīng)運而生，開始得到發(fā)展。

世界上第一個真正意義上的有纜智能水下機器人ROV—CURV，是在1960年由美國研制成功的。它在西班牙外海找到了一顆失落在海底的氫彈，這件事在全世界引起了極大地轟動，ROV技術(shù)也開始引起了人們的廣泛重視。

70年代以來由于石油價格的上漲，使得海洋石油產(chǎn)業(yè)得到迅速的發(fā)展，由于在石油開采中使用智能水下機器人，同時電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展促進了ROV的迅猛發(fā)展，并且開始形成了ROV產(chǎn)業(yè)。

1975年，第一個商業(yè)化的纜控智能水下機器人RCV-225問世了?！癛CV-225”屬于觀察型智能水下機器人，外形就像一只球，所以叉稱作“眼球”。據(jù)不完全統(tǒng)計，ROV的數(shù)量已經(jīng)超過110種，全世界近300家廠商提供各種ROV整機、零部件以及ROV服務(wù)。CR-01智能水下機器人的本體長4.374米，寬0.8米，高0.93米，它在空氣中的重量為1305.15公斤，它的最大潛深6000米，最大智能水下航速2節(jié)，續(xù)航能力10小時，定位精度10～15米。它是一套能按預(yù)訂航線航行的無人無纜智能水下機器人系統(tǒng)，它可以在6000米智能水下進行攝像、拍照、海底地勢與剖面測量、海底沉物目標搜索和觀察、水文物理測量和海底多金屬結(jié)核豐度測量，并能自動記錄各種數(shù)據(jù)及其相應(yīng)的坐標位置。早在50～60年代，人們就認識到了無繩智能水下機器人的意義，但是由于技術(shù)難度太大，沒能得到很大發(fā)展。70年代申期，由于微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，加上海洋工程和軍事活動的需要，使無纜智能水下機器人成為發(fā)展的熱門。目前，世界上大約有四十幾艘自治智能水下機器人，主要分布在美國、法國、加拿大、俄羅斯和中國，水深從水面覆蓋至6000，主要用途是海底調(diào)查、資源勘探、科學(xué)考察、智能水下工程和軍事目的。

3.1.4智能水下機器人應(yīng)用領(lǐng)域智能水下機器人初期的研究與發(fā)展都是以軍事目的為背景。早期的發(fā)展主要圍繞援潛救生、武器打撈、水雷對抗。真正的智能水下機器人的發(fā)展是在70年代，由于石油價格的上漲，海洋石油工業(yè)得到了迅速地發(fā)展，在石油開采中使用智能水下機器人，加上電子技術(shù)、計算機技術(shù)的日新月異，從而使智能水下機器人技術(shù)得到飛速地成長，其中ROV技術(shù)發(fā)展最快，并已形成產(chǎn)業(yè)。但目前仍有相當數(shù)量的智能水下機器人在軍事上應(yīng)用，尤其是高新技術(shù)的產(chǎn)品和研究大多是由軍方和政府提出要求并提供經(jīng)費。目前智能水下機器人廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域，以及在海洋、內(nèi)湖環(huán)境下的各類智能水下工程作業(yè)。

智能水下機器人應(yīng)用分為軍用和民用兩類，其主要用途見表3-1。(1)軍用有纜智能水下機器人前面提到的美國海軍的ROV-CURV最引人注目。它是專門用于美國海軍實驗中心打撈沉沒于水中的武器，其作業(yè)深度610m，1958年建成。在最初服役的6年中，平均每年回收約100個魚雷及其他裝置。茬CURV的基礎(chǔ)上，美國海軍后來又改迸建造了一艘CURV2和一艘CURV3，它們的作業(yè)深度分別增至為762m和2300m。這類智能水下機器人的另一個重要作用是協(xié)助潛水員執(zhí)行打撈作業(yè)。I973年8月CURV3和載人智能水下機器人PISCESV共同打撈起另一艘沉沒的載人潛水器PISCESIII。(2)軍用無纜智能水下機器人

AUV可用來輔助軍用潛艇，作為它的體外傳感器，為它護航和警戒，以及為它引開敵方攻擊充當假目標。在反潛方面，AUV可擔(dān)任海上反潛警戒，也可當作反潛艦艇進行訓(xùn)練的靶艇。另外，在水雷戰(zhàn)和反水雷方面以及其他許多特種作業(yè)中，AUV都可以大顯身手。(3)民用智能水下機器人由于近年來人們對海洋考察和開發(fā)的增多，智能水下機器人得到廣泛的應(yīng)用，其申ROV大量地被使用在各種智能水下作業(yè)中，AUV大范圍、大深度的作業(yè)設(shè)備近期在深海資源勘探和科學(xué)考察上得到了快速地發(fā)展。由于造價和人員風(fēng)險的原因，載人潛水器相對發(fā)展放緩。目前智能水下機器人主要應(yīng)用領(lǐng)域包括智能水下工程、海洋石油、打撈救生和海洋科學(xué)考察等各方面。

①智能水下工程

a.智能水下檢查:查明管道、智能水下工程、電纜鋪設(shè)的情況及其位置，檢查百油鉆井平臺和井口的銹蝕及損壞的程度，檢查水庫大壩及閘門的裂縫、損壞情況等。

b.智能水下監(jiān)視:監(jiān)視和輔助潛水員進行智能水下作業(yè)、救助打撈和石油鉆井平臺的智能水下作業(yè)等。

c.搜索與識別:對海洋、湖泊、江河中的沉船、遺失的儀器、工程設(shè)備等搜索尋找、記錄和識別。d.安裝與回收:協(xié)助石油鉆井平臺安裝、搬遷，扭轉(zhuǎn)閥門、更換和安放設(shè)備，協(xié)助智能水下工程建設(shè)、打撈作業(yè)等。

e.智能水下清理:水電站攔污柵清理，海上石油鉆井平臺基礎(chǔ)清理，船體、管道及智能水下構(gòu)件除銹、除漆等。

②海洋救助與打撈救生在海難救助，打撈沉船的作業(yè)中獨立完成或協(xié)助潛水員完成智能水下作業(yè)任務(wù)。全球定位、搜索，救援遇難艦船、解救受困潛水艇、中繼通訊等。

③海洋科學(xué)考察海洋科學(xué)考察主要包括水文地質(zhì)考察(記錄海底地形、繪制海底地圖、選擇土樣和巖石樣本等)、海洋生物考察(測定海底生物形態(tài)，采集生物樣本等)、海洋物理考察(測定地球磁場，考察石油、天然氣、礦物資源，考察海底火山活動情況等)、海洋光學(xué)考察等等。

④智能水下考古確定智能水下文物位置和性質(zhì)，采集文物樣本，清理考古現(xiàn)場，打撈文物等。3.1.5智能水下機器人關(guān)鍵技術(shù)①能源技術(shù)有纜遙控智能水下機器人隨著深度的增加，高電壓的動力輸送和動力設(shè)備是必須的。目前3000V電壓動力較為普遍地應(yīng)用在ROV設(shè)備上。為了減少臍帶電纜的尺寸和重量，將來ROV會采用更高的電壓等級。目前無纜智能水下機器人的能源較多是使用鉛酸電池和銀鋅電池。

②精確定位技術(shù)目前智能水下機器人在水上采用GPS，智能水下定位采用聲學(xué)定位設(shè)備。智能水下GPS技術(shù)目前正在迅速地發(fā)展，自治導(dǎo)航的精度預(yù)計將在5年內(nèi)提高10倍。

③零可見度導(dǎo)航技術(shù)混水作業(yè)一直是智能水下機器人應(yīng)用的最大障礙，利用聲學(xué)、激光技術(shù)以及計算機圖形增強技術(shù)，將使這個難題得到解決。

④材料技術(shù)在水中每增加10m的水深，外界壓力將增加1個大氣壓(0.1MPa)。高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和浮力材料是智能水下機器人重點發(fā)展的技術(shù)問題。⑤作業(yè)技術(shù)智能水下機器人的發(fā)展目標是代替人完成各種智能水下作業(yè)。柔性智能水下機械手、專用智能水下作業(yè)工具以及臨場感、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，將便智能水下機器人在海洋開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

⑥聲學(xué)技術(shù)被稱為聲學(xué)技術(shù)革命的最新的"矢量換能技術(shù)"，可使自主智能水下機器人的跟蹤距離達到100km以上。低頻水聲通訊技術(shù)可使在智能水下的通訊距離達到1000km以上，圖像的智能水下傳輸距離可達20km以上。水聲技術(shù)的發(fā)展將使智能水下機器人真正具有"千里耳"。

⑦智能技術(shù)機器具有與人相同的智能或超過人的智能是科幻電影的事情，從目前機器智能的發(fā)展程度看還需有較長的路要走。由人參與或半自主的智能水下機器人是解決目前復(fù)雜的智能水下作業(yè)的現(xiàn)實辦法。

⑧回收技術(shù)智能水下機器人的吊放回收作業(yè)一般是在海面附近進行，所以常受海況條件的限制而成為影響智能水下機器人智能水下作業(yè)的主要因素。3.2智能水下機器人結(jié)構(gòu)

①載體結(jié)構(gòu)特點大多數(shù)ROV為長方體外形，開式金屬框架，框架則大多采用鋁型材。這種框架可以起圍護、支承和保護的作用?？蚣艿臉?gòu)件通常采用矩形型材以便于安裝。與開式鋁框架不同的另一種結(jié)構(gòu)形式是載體框架完全用玻璃纖維或金屬蒙皮所包圍組成流線體，這種智能水下機器人載體形似魚雷或球。

智能水下機器人的大小各不相同，最小的只有幾公斤，最大的則有幾十噸(用于海底管線和通信電纜埋設(shè)的爬行式智能水下機器人)。

②推進模式除個別智能水下機器人采用噴水推進外，大多浮游式智能水下機器人采用螺旋槳推進，一般在螺旋槳外還加導(dǎo)管，以保證在高滑脫情況下提高推力。推進器驅(qū)動方式一般有電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動，小型ROV和AUV多采用電動推進器，大功率、作業(yè)型智能水下機器人推進器通常采用液壓驅(qū)動。

③動力供給

ROV都由水面提供交流電動力，供電電壓通常與智能水下機器人的功率和工作深度有關(guān)。一般中小型智能水下機器人采用220V,50～60Hz單相交流電供電，大型智能水下機器人多用3000v以上的三相交流電向智能水下載體供電。無纜智能水下機器人和載人潛水器自身攜帶電池，早期多采用密封的鉛酸電池，現(xiàn)在多采用高比能的銀鋅電池等。

④密封及耐壓智能水下機器人密閉容器如電子倉通常采用常壓封裝，相對于環(huán)境壓力的密封一般采用O形圈密封，與陸地密封條件不同的是智能水下為外壓密封，在設(shè)計中要特殊考慮。壓力補償技術(shù)是智能水下機器人常用的耐壓密封技術(shù)，智能水下機器人設(shè)備(如液壓系統(tǒng)、分線盒)內(nèi)部充滿介質(zhì)(液壓油、變壓器油、硅脂等)，另設(shè)一個帶有彈簧的補償器與設(shè)備倉體用一個管路連接，補償器的外部與水連通，內(nèi)部壓力始終高于外部壓力。帶有補償器可使智能水下容器的密封和耐壓變得簡單可靠，而且重量輕。⑤防腐技術(shù)智能水下機器人載體材料多采用鋁型材，鋁表面在海水中的防腐一般采用硬質(zhì)陽極氧化處理。為防止材料間的電化學(xué)反應(yīng)，設(shè)計申避免在互相接觸的表面采用電位差大的不同材料，如銅和鋁。為減少電位腐蝕，鋁框架一般采用鎂塊作為犧牲陽極。3.3智能水下機器人控制

3.3.1控制基本類型智能水下機器人控制所包括的內(nèi)容比較廣泛，主要有智能水下機器人的導(dǎo)航、駕駛、通信、作業(yè)、傳感器、人機交互等，涉及包括控制理論、人工智能、機器人學(xué)、光學(xué)、水聲學(xué)、海洋學(xué)、操縱性在內(nèi)的多種學(xué)科。不同類型的智能水下機器人的控制問題所包含的內(nèi)容有所不同。根據(jù)人在智能水下機器人執(zhí)行使命過程中介入的形式和程度，可把智能水下機器人控制分成三類:

遙控型智能水下機器人自治型智能水下機器人監(jiān)控型智能水下機器人

遙控型智能水下機器人在完成使命的過程中，由人來操作，目前廣泛應(yīng)用的ROV就屬于這一類。在操作過程中引人了人的智力，能最