水下机器人未来仍需解决的三个关键技术问题

水下机器人是各种高新技术的集成。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,还需解决水下通讯、能源供应及自动控制等一些关键技术问题。

  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。另一类水下无人潜航器则被称为AUV,全称自主式水下机器人,也称为自主式水下无人潜航器,其特点是无需携带缆绳,行动更灵活。

水下机器人未来仍需解决的三个关键技术问题

ROV水下机器人设备,资料图

  水下机器人构成及应用

  水下机器人是高技术的集成。可以说,水下机器人开发,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。目前,商业型或工业型的水下机器人,通常由潜水器本体、水下观察设备、检测设备、导航定位设备(如深度传感器、电子罗盘、航速仪等)、机械臂、脐带缆、控制台、下放装置等组成。

  水下机器人可用于船舶河道海洋石油等诸多领域,例如船体检修,码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查,航道排障、港口作业,钻井平台水下结构检修、海洋石油工程开发等。其他领域的应用,还包括水环境监测、海洋考察、水下拍摄、安全搜救等领域。

  新型AUV是未来发展趋势

  有缆水下机器人,虽然可通过电缆实现更好的供能和遥控,但限制了水下机器人的灵活性、活动范围及作业种类。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,特别是在海洋油气资源开发领域,正发挥着越来越大的作用。

水下机器人未来仍需解决的三个关键技术问题

AUV水下机器人设备,资料图

  一些关键技术还需解决

  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。

  1.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。目前,无缆水下机器人的操控信号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,但目前蓝绿激光器体积过大,效率低,能耗大,尚不能用于无缆水下机器人。

  2.能源供应问题

  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。

  3.自动控制问题

  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。

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