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水下机器人的过去、现在和未来

水下机器人的过去、现在和未来

发布日期:2019-12-19 来源: 点击:28

海洋作为人类的蓝色国土,关系到人类的生存和发展,这是人类面临的更现实的问题。从20 世纪后半叶起,水下机器人经历了从诞生、发展、到开始走向应用的历程。21 世纪,伴随着人类认识海洋、开发利用海洋资源和保护海洋的进程,水下机器人这一高新技术将进一步发展并更加完善,21 世纪将是水下机器人广泛应用的世纪。
1 关于海洋
在浩瀚的宇宙中,有一个蔚蓝色的星球,那是人类赖以生存的地方——地球。地球的表面积为5.1 亿平方公里,而海洋的面积为3.6亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所覆盖。在烟波浩渺的海洋深处,蕴藏着什么样的宝藏?是否存在着智慧生命?海底生物是怎样生活的?海底的地形地貌又是什么样的?所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩,也吸引了无数科学家、探险家为之探索。
从远古时代起,人们就泛舟于海上。从19 世纪起,人们开始利用各种手段对海洋进行探察。20 世纪,水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段,受到了人们普遍的关注。进入21 世纪,海洋作为人类尚未开发的处女地,已成为国际上战略竞争的焦点,因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说,本世纪是人类进军海洋的世纪。
人类关注海洋,是因为陆上的资源有限,海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是,占地球表面积49%的海洋是国际海底区域,该区域内的资源不属于任何国家,而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力,就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段,在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用,发展水下机器人的意义是显而易见的。
2 水下机器人历史回顾
水下机器人也称作潜水器(Underwater Vehicles),准确地说,它不是人们通常想象的具有人形的机器,而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置,其外形更象一艘潜艇。
水下机器人的种类很多,其中载人潜水器、有缆遥控水下机器人(ROV)、无缆水下机器人(AUV)是三类最重要的潜水器。回顾水下机器人的发展历史,我们从中可以看到人类征服海洋的进程。
最早出现的潜水器是载人潜器,这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的,主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业,可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生。其排水量从几吨到几十吨,航速为1~2.5 米/秒,下潜深度为几百米到一万米。在载人潜器上有密封的载人舱室及生命保障系统,可乘坐2~3 人,还有供观察用的窥视窗,潜水人员坐在耐压舱内通过视窗对海底世界进行观察,同时潜水器内还带有各种测量仪器、通讯设备,并可以携带1 或2个机械手。图1 为早期的载人潜器示意图。图2 为法国的Nautile 载人潜器。
世界上第一台载人潜器叫Argonaut the First,是由西蒙·莱克于1890 年制造的。从20 世纪60 年代中期到70 年代中期是载人潜器发展的鼎盛时期,其技术发展得较为成熟,此后逐渐进入低谷。
例如影片《泰坦尼克号》中的许多珍贵镜头,就是由俄罗斯科学家利用载人潜器“和平1 号”、“和平2 号”在水下拍摄的。
随着计算机技术的发展,美国、俄罗斯、日本等国先后研制出无人潜器,即水下机器人,它比载人潜器要小,也更灵活。按照水下机器人与母船间有无电缆连接将其分为有缆遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicles , ROV) 和自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)。ROV通过电缆由母船向其提供动力,人在母船上通过电缆对ROV进行遥控。而AUV 自带能源,依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋予的使命。
早在20 世纪50 年代,有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世界,他们把摄像机密封起来送到了海底,这就是ROV 的雏形。1960 年美国研制成功了世界上第一台ROV─“CURV1”,如图3所示,它与载人潜器配合,在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹,由此引起了极大的轰动,ROV 技术开始引起人们的重视。另外,当时发生的石油短缺使得油价提高,刺激着近海石油开发业的发展,同时也促进了ROV的迅猛发展。到了70 年代,ROV产业已开始形成,ROV在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得广泛的应用,是目前使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。ROV 的最大下潜深度可达一万米。图4 和图5 为美国CURV2和CURV3 型ROV,这是在CURV1 的基础上不断改进而产生的功能更完善的ROV。
20 世纪50 年代末期,美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人——“SPURV”,这艘AUV 主要用于水文调查。从60年代中期起,人们开始对无缆水下机器人产生兴趣。但是,由于技术上的原因,致使AUV 的发展徘徊多年。随着电子、计算机等新技术的飞速发展及海洋工程和军事方面的需要,AUV再次引起国外产业界和军方的关注。进入90 年代,AUV 技术开始逐步走向成熟。为美国海军研制的AUV-AUSS。
3 水下机器人的发展趋势
纵观水下机器人的发展历史,无论是载人潜器还是ROV或AUV,都代表了一定历史时期潜水器技术发展的状况及市场的需求。现阶段水下机器人的发展趋势体现在以下几个方面:
(1) AUV 代表了未来水下机器人研究的方向当前在各类水下机器人研究中,AUV 是一个热点,我们可以通过大量的国际会议了解到当前国际上水下机器人研究发展的这种趋势。另外,各国对AUV研究的投资也比其它类型机器人的投资要多得多。对AUV 的研究范围比较广泛,既包括当前的应用研究也着眼于未来进行基础研究,从经济型到复杂型,有军用的也有民用的,几乎覆盖了AUV 的各种类型。
事实上,AUV是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。在军事上,AUV 亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器相比较,它具有安全(无人)、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与ROV 相比,它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。AUV 代表了未来水下机器人技术的发展方向,是当前世界各国研究工作的热点。当前AUV的发展趋势为更深、更远、功能更强大,特别是未来海上作战等军事需求的增加,给AUV 的发展带来了无限生机,也预示着AUV 开始走向应用阶段。
  ● 更深——向深海发展
地球上97%的海洋深度在6000 米以上,称之为深海。研制6000 米的潜水器是许多国家的目标。美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000 米级的AUV。尽管ROV和载人潜器也能达到这个深度,但发展AUV 比其它潜器的造价要低得多,更经济。图7为我国第一台6000 米自治水下机器人“CR-01”,它主要用于太平洋洋底多金属结核的调查。
● 更远——向远程发展
AUV 的分类方法有几种,其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。所谓远程是指AUV 一次补充能源连续航行超过100 海里以上,而小于100海里称为近程。
远程AUV 涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。因此,许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作,以期获得突破性的进展。也只有在上述关键技术解决后,才能保证远程AUV 计划的实施。
● 功能更强大——向作业型及智能化方向发展
现阶段的AUV只能用于观察和测量,没有作业能力,而且智能水平也不高。将来的AUV 将引入人的智能,更多地依赖传感器和人的智能。还要在AUV上安装水下机械手,使AUV 具有作业能力,这是一个长远的目标。
(2) ROV 广泛应用于水下作业中
从1953 年世界上出现第一艘遥控潜水器,在近五十年的时间里,ROV 从诞生到走向实用化。目前全世界ROV的数量超过1000 台,是其他各类潜水器总和的数十倍,这主要是由于ROV 具有以下特点:
● 通过与水面相联的电缆向无人遥控潜器提供能源,作业时间不受能源的限制;
● 操作者直接在水面控制和操作ROV,人的介入使得许多复杂的控制问题变得简单;
● 可以用于水下作业,这一点是现阶段AUV无法达到的。例如ROV 与载人潜器可以协同作业,完成对各种失事飞机、潜艇等的打捞任务。
联合国发表的《21 世纪议程》中指出:“海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分,也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。”海洋作为人类的蓝色国土,关系到人类的生存和发展,这是人类面临的更现实的问题。从20 世纪后半叶起,水下机器人经历了从诞生、发展、到开始走向应用的历程。21 世纪,伴随着人类认识海洋、开发利用海洋资源和保护海洋的进程,水下机器人这一高新技术将进一步发展并更加完善,21 世纪将是水下机器人广泛应用的世纪。