众文网1.水下机器人是如何设计的
随着机器人技术的进一步的发展，机器人的种类也各种各样。
在无边无际的海洋世界中，机器人在深邃的海底世界，从事着人类无法从事的科学探索事业。机器人是我们人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具。
海底由于有强大的压力和环境的恶劣，水下机器人成为了沉船打捞、光缆铺设、油气田的逢设以及海底资源的勘探和开采等种类繁多的工作。水下机器人由于工作的环境不同，可以分为有缆机器人和无缆机器人。
有缆机器人，是通过母船电缆像机器人提供动力，而无缆机器人则是能够自主潜航的智能机器人。水下机器人可以下潜到海底五万米左右的深度，而地下探测机器人将被用于海底资源和地底能源的勘探和开发以及海洋和地下资源的利用与救援等。
2.水下机器人的发展历程
从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。
80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号（HR-1）水下机器人，成功地进行水下实验。 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。
这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。
另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中 28艘 用于工业服务。1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。
“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。
用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。
1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。
“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。
这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。
日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有研究项目，而且还有较大型的长远计划。1988年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。
1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约0.2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。
这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。
中国水下机器人2009年首次在北冰洋海域冰下调查。“大洋一号”科学考察船第21航次就在开始不久的第三航段考察中，“大洋一号”首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。
这一发现标志着中国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。依靠“大洋一号”船的精确动力定位，中国自主研制的水下机器人“海龙2号”准确降落抵达“鸟巢”黑烟囱区海底，并展开了摄像观察、热液环境参数测量。
2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人问世。哈尔滨工程大学船舶工程学院5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。
该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。这款机器人获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。
该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。 2012年日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。
这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代由潜水人员去完成的危险水下作业。
在无人有缆潜水技术方面，始终保持了。
3.水下机器人的技术发展要点是什么
水下机器人的技术发展要点是什么？ 下面通过几个关键点和一些实际例子来说明一下。
水下机器人发展的六大关键技术 水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通信、能源系统等六大技术。 仿真技术：由于水下机器人的工作区域为不可接近的海洋环境，环境的复杂性使得研究人员对水下机器人硬件与软件体系的研究和测试比较困难。
因此在水下机器人的方案设计阶段，研究人员进行仿真技术研究的内容分为两部分。 其一，平台运动仿真。
按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形，并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。一旦建立了运动数学模型、确定了边界条件后，就能用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应。
如果根据技术指标评估出平台运动状态与预期存在差异，则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真，直至满足要求为止。 其二，控制硬、软件的仿真。
控制硬、软件装入平台前，先在实验室内对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能，以降低在水中对控制系统调试和检测所产生的巨大风险。内容包密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。
另外，上述所需的仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通信接口、仿真工作站等组成。 水下机器人举例： 智能控制技术：智能控制技术，旨在提高水下机器人的自主性，其体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。
软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通信接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。 水下目标探测和识别技术：目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。
合成孔径声纳是用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等。 前视声纳组成的自主探测系统，是指前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下，自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。
通过不断的试错，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库。特别是在目标图像像素点较少的情况下，较好地解决数个目标的分类和识别。
系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。 三维成像声纳，用于水下目标的识别，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。
可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。 水下导航（定位）技术：用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等。
由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成的推算系统。该系统无论从价格上、尺度上和精度上，都能满足水下机器人的使用要求，目前国内外都在加大力度研制。
通信技术：目前的通信方式主要有光纤通信、水声通信。 光纤通信由光端机（水面）﹑水下光端机﹑光缆组成。
其优点是传输数据率高（100Mbit/s）且具有很好的抗干扰能力。缺点是限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人。
水声通信是水下机器人实现中远距离通信唯一的、也是比较理想的通信方式。实现水声通信最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难题。
能源系统技术：水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，对能源系统的要求是体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本。目前的能源系统主要包括热系统和电-化能源系统两类。
热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源，是现今一种比较实用的方法。
电-化能源系统是利用质子交换膜燃料电池来满足水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。
但是该技术目前仍缺少合适的安静泵、气体管路布置、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储方法。随着燃料电池的不断发展，它有望成为水下机器人的主导性能源系统。
水下机器人一旦突破技术瓶颈，其进口替代空间广阔。但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的较大差距，致使国产水下机器人的实际应用受到限制。
目前国内不同领域的很多客户，购买或租借国外现有产品，不仅价格高、配套服务难，而且有些产品并不适合中国海区的使用特点，产品机动性、抗流能力及作业能力都明显不。
4.关于水下机器人
中文名称：水下机器人 英文名称：undersea teleoperator;underwater robot 定义：由水面遥控或有人工智能，能在水下进行综合作业的机电装置。 应用学科：海洋科技（一级学科）；海洋技术（二级学科）；海洋工程（三级学科）
无人遥控潜水器，也称水下机器人。一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。 无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
5.水下机器人的结构功能
典型的遥控潜水器是由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。
潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视。靠电缆向本体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动的干扰。新型潜水器从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。
无人有缆潜水器的发展趋势有以下优点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能力反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。
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