水下機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展分析范文

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水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴(kuò)大，如海洋研究、海洋開發(fā)和水下工程等，發(fā)達(dá)的軍事大國非常重視水下機(jī)器人在未來戰(zhàn)爭中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：水下機(jī)器人現(xiàn)狀，應(yīng)用

一、水下機(jī)器人的種類及國內(nèi)現(xiàn)狀

1、水下機(jī)器人的種類

水下機(jī)器人是一種具有智能功能的水下潛器，國內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)其智能化程度和使用需求，將水下機(jī)器人分為四類：即拖曳式水下機(jī)器人TUV(TowingUnderwaterVehicle)、遙控式水下機(jī)器人ROV(RemotelyOperatedVehilce)、無人無纜水下機(jī)器人UUV(UnmannedUnderwaterVehicle)和智能水下機(jī)器人AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)。前兩種水下機(jī)器人均帶纜，由母船上人工控制；后兩種水下機(jī)器均無人無纜，自主航行，分別由預(yù)編程控制和智能式控制。

2、國內(nèi)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)研究水下機(jī)器人的單位較多，內(nèi)容也五花八門，但代表國內(nèi)先進(jìn)水平的、真正進(jìn)入實質(zhì)性試驗階段的僅此幾家。它們是：哈爾濱工程大學(xué)研制的智能水下機(jī)器人AUV，中科院沈陽自動化所研制的無人無纜水下機(jī)器人UUV，上海交通大學(xué)研制的遙控式水下機(jī)器人ROV和中船重工715所研制的拖曳式水下機(jī)器人TUV。

二、水下機(jī)器人應(yīng)用前景

水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不斷擴(kuò)大，如海洋研究、海洋開發(fā)和水下工程等，發(fā)達(dá)的軍事大國非常重視水下機(jī)器人在未來戰(zhàn)爭中的應(yīng)用。水下機(jī)器人將成為未來水下戰(zhàn)爭中爭奪信息優(yōu)勢、實施精確打擊與智能攻擊、完成戰(zhàn)場中特殊作戰(zhàn)任務(wù)的重要設(shè)備之一。

目前正處于飛速發(fā)展階段。

1、海洋資源的研究和開發(fā)

占地球表面積71%的海洋是是一個富饒而遠(yuǎn)未得到開發(fā)的資源寶庫，也是兵戎相見的戰(zhàn)場。21世紀(jì)，人類面臨人口膨脹和生存空間、陸地資源枯竭和社會生產(chǎn)增長、生態(tài)環(huán)境惡化和人類發(fā)展的三大矛盾挑戰(zhàn)，要維持自身的生存、繁衍和發(fā)展，就必須充分利用海洋資源，這是無可回避的抉擇。對人均資源匱乏的我國來說，海洋開發(fā)更具有特殊意義。因此，水下機(jī)器人將在海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源勘察、海洋科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。

2、未來戰(zhàn)爭中的作用

零傷亡是未來戰(zhàn)爭中的選擇，因而使得無人武器系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中的地位倍受重視，其潛在的作戰(zhàn)效能越來越明顯。作為無人武器系統(tǒng)重要組成部分的水下機(jī)器人能夠以水面艦船或潛艇為基地，在數(shù)十或數(shù)百里的水下空間完成環(huán)境探測、目標(biāo)識別、情報收集和數(shù)據(jù)通訊，將大大地擴(kuò)展了水面艦船或潛艇的作戰(zhàn)空間。尤其是自主航行的水下機(jī)器人，它們能夠更安全地進(jìn)入敵方控制的危險區(qū)域，能夠以自主方式在戰(zhàn)區(qū)停留較長的時間，是一種效果明顯的兵力倍增器。更重要的是，在未來的戰(zhàn)爭中，“以網(wǎng)絡(luò)為中心”的作戰(zhàn)思想將代替“以平臺為中心”的作戰(zhàn)思想，水下機(jī)器人將成為網(wǎng)絡(luò)中心站的重要節(jié)點，在戰(zhàn)爭中發(fā)揮越來越重要的作用。論文大全。目前各國重點研究的應(yīng)用包括：水雷對抗、反潛戰(zhàn)、情報收集、監(jiān)視與偵察、目標(biāo)探測和環(huán)境數(shù)據(jù)收集等。

三、水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

1、總體技術(shù)

水下機(jī)器人是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，涉及到的專業(yè)學(xué)科多達(dá)幾十種，各學(xué)科之間彼此互相牽制，單純地追求單項技術(shù)指標(biāo)，就會顧此失彼。解決這些矛盾除有很強(qiáng)的系統(tǒng)概念外，還需加強(qiáng)協(xié)調(diào)。在滿足總體技術(shù)要求的前提下，各單項技術(shù)指標(biāo)的確定要相互兼顧。

為適應(yīng)較大范圍的航行，從流體動力學(xué)角度來看，水下機(jī)器人的外形采用低阻的流線型體。結(jié)構(gòu)盡可能采用重量輕、浮力大、強(qiáng)度高、耐腐蝕、降噪的輕質(zhì)復(fù)合材料。

2、仿真技術(shù)

水下機(jī)器人工作在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，由智能控制完成任務(wù)。由于工作區(qū)域的不可接近性，使得對真實硬件與軟件體系的研究和測試比較困難。為此在水下機(jī)器人的方案設(shè)計階段，要進(jìn)行仿真技術(shù)研究，內(nèi)容為兩部分：

(1)平臺運動仿真

按給定的技術(shù)指標(biāo)和水下機(jī)器人的工作方式，設(shè)計機(jī)器人平臺外形并進(jìn)行流體動力試驗，獲得仿真用的水動力參數(shù)。在建立運動數(shù)學(xué)模型、確定邊界條件后，用水動力參數(shù)和工況進(jìn)行運動仿真，解算各種工況下平臺的動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)評估平臺的運動狀態(tài)，如有差異,則通過調(diào)整平臺尺寸、重心浮心等技術(shù)參數(shù)后再次仿真,……,直至滿足要求為止。

(2)控制硬、軟件的仿真

在水中對控制系統(tǒng)的調(diào)試和檢測具有很大的風(fēng)險，因此有必要在控制硬、軟件裝入平臺前，在實驗室內(nèi)先對單機(jī)性能進(jìn)行檢測，再對集成后的系統(tǒng)在仿真器上做陸地模擬仿真試驗，并評估仿真后的性能。內(nèi)容包括動密封、抗干擾、機(jī)電匹配、軟件調(diào)試。根據(jù)結(jié)果，進(jìn)行修改和完善。因而需研究和開發(fā)一套用于控制系統(tǒng)仿真的仿真器。仿真器主要由模擬平臺、等效載荷、模擬通訊接口、仿真工作站等組成。在仿真器上對控制系統(tǒng)的仿真，可以減少湖海試時的調(diào)試工作量，避免由海中不確定因素帶來的麻煩。

3、水下目標(biāo)探測與識別技術(shù)

目前，水下機(jī)器人用于水下目標(biāo)探測與識別的設(shè)備僅限于合成孔徑聲納、前視聲納和三維成像聲納等水聲設(shè)備。

(1)合成孔徑聲納

用時間換空間的方法、以小孔徑獲取大孔徑聲基陣的合成孔徑聲納，非常適合尺度不大的水下機(jī)器人，可用于偵察、探測、高分辨率成像，大面積地形地貌測量等，為水下機(jī)器人提供一種性能很好的探測手段。

(2)前視聲納組成的自主探測系統(tǒng)

前視聲納的圖像采集和處理系統(tǒng)，在水下計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理下自主采集和識別目標(biāo)圖像信息，實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤和對水下機(jī)器人的引導(dǎo)。可以通過實驗，找出用于水下目標(biāo)圖像特征提取和匹配的方法，建立數(shù)個目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，在目標(biāo)圖像像素點較少的情況下，較好的解決數(shù)個目標(biāo)的分類和識別。系統(tǒng)對目標(biāo)的探測結(jié)果，能提供目標(biāo)與機(jī)器人的距離和方位，為水下機(jī)器人避碰與作業(yè)提供依據(jù)。

(3)三維成像聲納

用于水下目標(biāo)的識別的三維成像聲納，是一個全數(shù)字化、可編程、具有靈活性和易修改的模塊化系統(tǒng)。可以獲得水下目標(biāo)的形狀信息，為水下目標(biāo)識別提供了有利的工具。

4、智能控制技術(shù)

智能控制技術(shù)是提高水下機(jī)器人的自主性，在復(fù)雜的海洋環(huán)境中完成各種任務(wù)，因此研究水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件體系、硬件體系和控制技術(shù)十分重要。

智能控制技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)是人工智能技術(shù)、各種控制技術(shù)在內(nèi)的集成，相當(dāng)于人的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)。軟件體系是水下機(jī)器人總體集成和系統(tǒng)調(diào)度，直接影響智能水平，它涉及到基礎(chǔ)模塊的選取、模塊之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)（信息）與控制流、通訊接口協(xié)議、全局性信息資源的管理及總體調(diào)度機(jī)構(gòu)。體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)與水下機(jī)器人的研究任務(wù)應(yīng)是一致的，也是提高智能水平（自主性和適應(yīng)性）的關(guān)鍵技術(shù)之一。不斷改進(jìn)和完善體系結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)對未來的預(yù)報預(yù)測能力，使系統(tǒng)更具有前瞻性和自主學(xué)習(xí)能力。論文大全。

5、規(guī)劃與決策技術(shù)

規(guī)劃與決策是指對自主式水下機(jī)器人在有海流區(qū)域工作時姿態(tài)和路徑的規(guī)劃與決策，主要確保水下機(jī)器人工作時艏向嚴(yán)格頂流。有兩種路徑規(guī)劃方法，一種是坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)法，基本思想是將坐標(biāo)系繞著Z軸旋轉(zhuǎn)，直到X正半軸方向指向來流方向，在工作中保證機(jī)器人的姿態(tài)始終與X正半軸方向一致。另一種是基于柵格的位形空間激活值傳播法。該方法能方便地實現(xiàn)各種優(yōu)化條件，并適用于各種復(fù)雜的環(huán)境，具有較佳的控制生成路徑能力和可擴(kuò)展性，而且算法本身具有內(nèi)在的并行性，很好地滿足了機(jī)器人艏向盡量頂流的要求。

6、水下導(dǎo)航(定位)技術(shù)

用于自主式水下機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)有多種，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、重力導(dǎo)航系統(tǒng)、海底地形導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁場導(dǎo)航系統(tǒng)、引力導(dǎo)航系統(tǒng)、長基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算系統(tǒng)等，由于價格和技術(shù)等原因，目前被普遍看好的是光纖陀螺與多普勒計程儀組成推算系統(tǒng)，該系統(tǒng)無論從價格上、尺度上和精度上都能滿足水下機(jī)器人的使用要求，國內(nèi)外都在加大力度研制。

7、通訊技術(shù)

為了有效的監(jiān)測、傳輸數(shù)據(jù)﹑協(xié)調(diào)和回收等，水下機(jī)器人需要通訊。目前的通訊方式主要有光纖通訊、水聲通訊。

(1)光纖通訊

由光端機(jī)（水面）﹑水下光端機(jī)﹑光纜組成。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)率高（100Mbit/s），很好的抗干擾能力。缺點，限制了水下機(jī)器人的工作距離和可操縱性，一般用于帶纜的水下機(jī)器人TUV、ROV。

(2)水聲通訊

由于聲波在水中的哀減慢，對于需要中遠(yuǎn)距離通訊的水下機(jī)器人，水聲通訊是唯一的、比較理想的一種方式。實現(xiàn)水聲通訊最主要的障礙是隨機(jī)多途干擾，要滿足較大范圍和高數(shù)據(jù)率傳輸要求，需解決多項技術(shù)難關(guān)。要達(dá)到實用程度，仍然有大量的工作要做。

8、能源系統(tǒng)技術(shù)

水下機(jī)器人、特別是續(xù)航力大的自主航行水下機(jī)器人，需要具有體積小、重量輕、能量密度高、多次反復(fù)使用、安全和低成本的能源系統(tǒng)。

(1)熱系統(tǒng)

熱系統(tǒng)是將能源轉(zhuǎn)換成水下機(jī)器人的熱能和機(jī)械能，包括封閉式循環(huán)、化學(xué)和核系統(tǒng)。其中由化學(xué)反應(yīng)（鉛酸電池、銀鋅電池、鋰電池）給水下機(jī)器人提供能源是現(xiàn)今一種比較實用的方法。

(2)電-化能源系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池具有水下機(jī)器人的動力裝置所需的性能。該電池的特點是能量密度大、高效產(chǎn)生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關(guān)閉。該電池技術(shù)難點是合適的安靜泵、氣體管路布置、散熱、固態(tài)電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲。21世紀(jì)燃料電池將極大地改變?nèi)藗兊纳詈推髽I(yè)環(huán)境。隨著生產(chǎn)成本、穩(wěn)定性等課題得到解決，燃料電池可望成為水下機(jī)器人的主導(dǎo)性能源系統(tǒng)。

五、結(jié)語

毫無疑問，在海洋開發(fā)和末來戰(zhàn)爭中，水下機(jī)器人起著舉足輕重的作用。目前國內(nèi)的水下機(jī)器人(主要是AUV、UUV)還處于研制試驗階段，很多關(guān)鍵技術(shù)還沒有突破，離實際使用尚有一段距離。要瞄準(zhǔn)目標(biāo)，抓住時機(jī)，開拓創(chuàng)新，爭取在水下機(jī)器人這一領(lǐng)域擁有更多的自主技術(shù)。