水下机器人的应用

一、常规水下机器人

  ROV（RemoteOperated Vehicle）全称遥控水下机器人，也称为遥控式水下无人潜航器，属于水下无人潜航器（UUV）的一种，主要用于水中观察、检查和水下施工。另一类型的水下无人潜航器被称作AUV，全称自主式水下机器人，也称为自主式水下无人潜航器，其研制始于20世纪50年代，其特点是无需携带缆绳，行动更灵活。

  起初，水下机器人的发展是出于军事等方面的需求，由美国、俄罗斯、日本、法国等国率先研制，因水下机器人的研制离不开计算机技术、声纳技术、水下微光电视、遥控技术、定位导航等技术的发展。后来，海洋石油工业的迅速发展带动了工业型ROV的发展，北海油田和墨西哥湾油田在1975年使用了第一台商业化ROV，至1981年，ROV数量猛增到400多台，现如今各种类型、各种功能的ROV数量已数不胜数。本文主要讨论的是商业型或称为工业型的水下机器人。

 1. 水下机器人分类

  工业用水下机器人功能多种多样，所完成的水下作业也极富多样性，按照不同的分类标准，现有的水下机器人一般分为：

 (1)按用途分为观察型、观测型和作业用水下机器人。作业用水下机器人一般安装有机械手，用于海中救援、打捞、电缆敷设、海洋石油及其他生产系统的操作维修等水下作业。观测型水下机器人与作业用水下机器人基本相同，但它主要用于测定所要调查对象的参数。观察型水下机器人一般只具备影像观察功能，利用照相机、摄像机、声纳等观测海底地形、地貌或搜寻水下沉物。

 (2)按水下机器人与施工母船之间有无电缆可分为有缆水下机器人（即ROV）和无缆水下机器人（即AUV）。有缆水下机器人与施工母船之间通过电缆相连，由母船向水下机器人提供动力和实施遥控；无缆水下机器人与母船间无电缆连接，AUV自带动力，依靠自身的动力航行。

 (3)按运动方式可分为浮游式、履带式和步行式水下机器人。浮游式水下机器人在水中漂浮，一般呈零浮力（或稍有一点正浮力）状态，依靠所装的推进器在水下做三维空间运动。履带式水下机器人多用于海床施工，例如挖沟机、挖沟犁等。

 2.水下机器人的主要功能

  水下机器人本身仅是一种运载工具，如欲进行水下作业，则必须携带水下作业工具。可以说，水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，根据作业目的的不同，可以选择携带不同的水下作业系统。可以携带水下作业系统的功能特性，使水下机器人扩大了适用范围，增强了实用性。现有水下机器人的作业系统通常包括1～2个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包。主要功能有：海底观察海底地形、地貌、作业状态等；测定相关参数；水下作业中螺栓的拆装及阀门的开闭；水下施工中所用缆绳的系结与切割；水下救助和打捞；水下设施打磨和切割；水下构件或船体表面的清洁；水下钻孔、焊接。

 3.水下机器人的主要组成

  水下机器人一般由潜水器本体、水下观察设备、检测设备、导航定位设备（深度传感器、罗经、航速仪等）、机械臂、脐带缆、控制台、下放装置等组成。领航员在施工母船上通过控制台对水下机器人进行远程操作，完成特定的水下作业。ROV与控制台之间一般通过脐带缆将电力、液压、视频和数据及控制信号等相连，AUV同样有控制台，但没有脐带缆。

二、水下机器人的应用

 1. 水产养殖

  根据中国农业出版社公布的《2017年中国渔业统计年鉴概读》显示，2017年全国水产养殖面积8346.34千公顷，总产量达6699.65万吨，可以看到我国的渔业规模是很庞大的。但是，目前我国的水产养殖还面临着许多严峻的问题，像鲍鱼、海参、扇贝、海螺、海胆等底播增殖型海洋牧场，从播种到采捕都需要人力，采用的也都是原始工具。

这样的捕捞方式，不仅劳动强度大，而且效率低，最主要的是对捕捞者来说有很大的危险性。所以这样的一系列问题的凸显，让产业不得不进行变革，而水下机器人的发展可以很好的解决这些问题。

 2. 水下船体检修与清洁

  水下机器人也可用于船体清洁检测、船底探查、船体检修等，之前看到有新闻称韩国就有企业利用水下机器人进行船底油污、浮游生物检测了，可以准确定位，大大节省了人力、时间和成本。除此之外，水下机器人还可用于航道排障、港口作业等等，听说已经有机器人被用于水下考古，水下沉船考察了，这样更利于我们发现一些有价值的东西了，相信在不久的将来，这个应用方向也会被人们所重视的。

 3. 城市管道检查

  管道清洁领域也是一个隐藏的市场机会，中国的城市化建设已经进行了30多年，某些城市的人口密度非常大。而这些城市内的管道已经开始显现问题，如堵塞、年久失修等等，导致城市排污能力下降，急需整治。近年来，西安、天津等城市内涝现象就是最好的例证。如果运用水下机器人进行管道的检测，就可精准定位需要修理的管道，避免了大规模挖开地面，重新安装的方式，节省了大量的人力和时间，保障了城市交通的正常运行。

 4. 水下娱乐

  随着潜水运动的兴起，我国拥有潜水证的人已经突破1亿，越来越多的人对潜水运动感兴趣，因此这也给水下机器人带来了机会。比如在游泳馆，机器人可以实时进行信息反馈，避免游泳人员溺亡事件。比如在海洋馆，水下机器人则可以监控水域环境进行反馈。而且还有小型的水下机器人方便携带进行水下拍摄。

 5. 海洋石油工程

  海洋石油工程中使用的ROV在外形、结构、功能等方面大致与常规ROV是一致的，只是机械臂或所携带的工具更具石油工程的特点。海洋石油工程应用的ROV大多装备4～8个液压推进器，根据作业目标选用具备相关功能的机械手，通常为一到两只，功能一般为视频摄像、抓握物体、剪切缆绳/钢丝绳、打开/关闭阀门、拆卸螺栓/法兰/卡环、水下焊接、水下火焰切割等。此外，还装备以下设备：定位系统、电罗经、测深传感器、左右舷悬臂摄像头、转动/倾斜摄像头、扫描声纳等。

  海洋石油工程中使用的ROV，根据观察和作业能力可分为三类。第一类为纯观察型，只能完成水下纯粹的观察、录像作业，不携带任何水下作业工具和设备，一般用在海管着泥点监测、导管架下水观测、海床平面调查等作业中；第二类为作业型，通过安装不同作业功能的机械手，完成水下较为复杂的工作，此类型ROV是海洋石油工程中使用频率最高的；第三类为爬行类，主要指挖沟机和挖沟犁等，用于海底管道、海缆的挖沟埋设作业。

三、水下机器人的发展趋势

 1.新式AUV是未来发展趋势

  有缆水下机器人虽然通过电缆可以更好地实现供能和遥控，但限制了水下机器人的灵活性、活动范围以及作业种类，随着作业水深的增加，电缆长度及电缆阻力将增大，导致水下机器人的动力消耗增加，作业空间受到限制。由于水对电磁波的干扰，长久以来无缆遥控面临着难题，如何除去ROV携带的电缆长期困扰着科学家们。

  随着科技的进步特别是硬件技术和控制技术的发展，新式AUV应运而生，它实现了无缆化，自带供能模块，活动范围大大提高，且能依靠自身的自动化控制能力来完成所赋予的工作，具有机动性好、智能化、安全性高等优点，在海洋油气资源开发中发挥的作用越来越大。

 2.水下机器人尚待解决的关键技术问题

  水下机器人是高技术的集成，虽然水下机器人本体的各种材料及相关技术已基本成熟，但随着水下机器人向大范围、大深度、长续航、多功能的发展，一些关键技术还需研究解决，例如：

 ⑴水下通讯问题。有缆水下机器人可以用电缆很好地实现信息传输，但电缆又限制了水下机器人的功能。无缆水下机器人的操控信号目前是以水声通讯来实现的，存在传输延时现象，因声音在水中的传播速度远低于光速，从而导致难以对水下机器人实时控制。而且传输距离又受载波频率和发射功率的限制，目前通讯距离仅10千米左右。另外，声通讯还容易受到多径效应造成的干扰，虽然可采用窄波速，但也存在波束对准和跟踪等问题。美国利用蓝绿激光实现了空中对水下100m深处潜艇的通讯，激光通讯的研发为水中大范围通讯开辟了一条新路，但目前蓝绿激光器的体积过大，效率低，能耗大，尚不能用于无缆水下机器人。

 ⑵能源问题。有缆水下机器人一般不存在能源问题，但如果在深海作业，随着电缆的增长，传输损耗也会增大。虽然可提高电压和加大频率，但会产生绝缘和安全问题。而对于无缆水下机器人，自带供能模块所存储的能源量是限制其作业范围的主要因素，可以考虑燃料电池，但目前在水下机器人中尚未得到应用，需要进一步研究开发。

    ⑶控制问题。有缆水下机器人的控制比较简单，可由操作人员通过操作台实现人机交互控制。但水下机器人在水中的运动有六个自由度，它本身是一个强耦合的非线性系统，加上局部水流方向、流速都是无规则变化的，动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求，这有待进一步研究。无缆水下机器人由于信息传输问题而难以实现实时控制，往往要求实现自治式控制或智能控制。但由于控制对象为6自由度，交叉耦合、非线性、时变性都非常严重，因此其控制技术十分复杂，要进一步研究开发。