水下机器人-水下勘探科学与技术

为什么你需要水下机器人?

在开发探测海洋的机器人之前，当海底管道和电缆损坏或破裂时，必须进行修复，或在检查海底石油钻井平台和港口码头的基础设施的安全性和稳定性时，必须依靠潜水员。这些潜水员必须冒着危险潜入深海执行维修、检查甚至打捞任务。

随着技术的进步，这些危险的任务已经逐渐转移到水下机器人身上，包括石油开采、海底矿产勘探、水下搜索和打捞作业。或对海底管道、水下构筑物、海底电缆、石油钻探平台、港口等水下设施和军事行动的检查，大大降低了人员在执行这些任务时所面临的风险。

探索深海可以帮助人类分析地球和生命的进化过程，发现新的生物物种，了解生物群体如何在极端危险的环境中生存。即使在今天，面对能源灾难，新能源的探测和开发也需要依靠足够的深海勘探能力。为了满足海洋开发和可持续发展的需要，水下机器人已经成为探索未知深海的重要工具，也是世界先进国家之间竞争和研发的目标。

未知海域:

由于黑暗、寒冷和高压的限制，大部分深海区域尚未被人类探索。由于海水吸收和散射光，悬浮在海水中的粒子也会散射光，使深海变暗。除了光，海洋还会吞噬其他类型的电磁辐射，包括无线电信号。此外，深海极其寒冷，500米深处的海水温度通常只有4 ~ 6摄氏度。在深海中，毁灭性的压力限制着一切进入海洋的东西。这种力类似于地面上的大气压力，但由于水的密度比空气大得多，海水的水深每增加10米，它就增加约1个大气压。

在高科技的帮助下，科学家们设计出了能够克服高压和黑暗环境，帮助人类完成深海内外任务的水下机器人。或者长时间停留在海脊、海沟等深海特定区域收集和检测数据。在深海作业，再加上使用石油和天然气的高风险，意味着许多任务都是自主完成的，主要由rov、自主水下航行器(auv)和机器人技术主导。

什么是水下机器人?

• 水下机器人可分为两类:遥控水下机器人和自主水下机器人。自主水下滑翔机是自主水下机器人的变形体。
• 遥控水下航行器:也被称为rov(远程操作航行器)，它们依靠内部有铜线或光纤束的缆绳与海上工作的研究船连接，提供水下机器人运动所需的动力，发送控制命令，并将在水下收集的信息发回。rov逐渐取代潜水员，成为水下作业的主流。因为它们可以配备机械臂进行勘探，所以它们被用于采样、海底打捞和清扫。
• 自主水下航行器:也被称为自主水下航行器(auv)，它们通过电池在海水中自由通信，通过声波通信进行自主导航程序。auv常用于冰下调查和测绘作业、军事科学应用、声纳部署和安全监测站、危险废物场调查、地质振动调查和火山地震记录、潜艇沉船探测、港口监视、环境监测、海底电缆探测等。ROV是一种可以远程控制的水下机器人。一般来说，大型rov有基本设备，如主计算机、螺旋桨、摄像机、灯和机械臂。通过通信电缆传输电源和信号后，ROV先导就可以上船了。对于远程操作，由于动力由船舶提供，ROV在水中没有工作时间限制。ROV根据大小和功能可分为5级，即一级观察型、二级可装载观察型、三级工作型、四级牵引型和五级原型型。
• 海底地震仪:海底地震仪是一种将地震传感器放置在海底的地震观测系统。它可以监测和记录地震数据，提高震源定位精度，了解海底地层剖面结构。

水下机器人的特点:

• 结构:为了在深海中工作，水下机器人必须有良好的结构设计，以承受由于深度而增加的海水压力。其次，要应用和整合传感与控制技术、信号处理、动态估计、导航定位、通信等前沿技术，使水下机器人成为智能个体，灵活应对深海恶劣环境的挑战。
• 导航定位:水下机器人通过与安装在海底的声波应答器进行网络对话的方式来确定自己的位置。每隔几秒钟，水下机器人就向应答器网络发送一个声波信号，每个应答器都用自己独特的信号对水下机器人做出响应。从网络中三个应答器反射的信息中，水下机器人可以通过简单的三角函数计算，依靠导航技术知道当前的位置和方向。
• 速度:水下机器人使用多普勒声纳，向下方海床的前、后、左、右、左、右方向发出固定频率的声波，然后听声波反弹时的频率差异，就可以计算出它的速度。
• 依靠超声波在深海进行浮潜:AUV水下机器人依靠重力和浮力的作用在海面和海床之间来回穿梭。当从海里潜水时，它利用重力滑翔下来。当它到达目标点时，它抛出一部分平衡重量的铅块，以平衡自身重量与浮力，然后打开螺旋桨的推力，以最大速度潜入海底。利用超声波传感器，AUV水下机器人可以评估障碍物的距离，并与海床保持一定的高度。然后依次启动安装在AUV船体底部的声纳或摄像机，将捕获的水下图像数据存储在计算机存储器中。当电力即将耗尽时，AUV将扔掉铅的最后重量，轻轻地浮起来，在启动时返回大海。

海底技术中通常使用什么基质?

• BK7(或等效物):BK7基片通常以光学圆顶的形式用于潜水式rov，在水下环境中有两个主要特性——耐用性和高透光率。BK7具有从300nm到2µm的优异透光率，是一种相对坚硬的材料，具有优异的化学耐久性，常用于高压视口和水下相机。
• 蓝宝石(Al2O3):蓝宝石(Al2O3)是地球上最坚硬的材料之一，是另一种用于窗户和潜水器中视口的基材。

如何遂行广大海域观测任务?

将各种水下机器人组装成一支海洋探测队的概念是一个可行的方向。利用可批量生产的小型水下机器人，以较低的成本对特定的小尺度海域进行观测，然后将观测数据整合成大尺度的观测结果，可有效实现大海域的观测任务。

由于水下机器人编队的维护，可以利用相邻水下机器人之间的相对定位，因此不需要昂贵的导航和通信设备。也不必担心需要花费大量的计算时间来执行导航控制程序。由整个水下机器人团队组成的网络运动控制方法，还可以减小每个水下机器人之间的相对位置误差，有利于海洋数据的采集和分析。水下群机器人网络的协同分工，以及多机分工共同完成更大海域和更复杂任务的概念，是未来水下机器人技术发展的重要趋势。

通过整合不同水下机器人传感器采集到的信息，研发团队队形控制技术，建立水下通信网络，实现不同型号、不同功能的水下机器人之间的通信、连接、通信。，完成水下机器人的群体行为控制、监控管理、系统故障诊断等操作，实现群体操作的理想。