水下机器人-水下勘探的科学与技术

为什么需要水下机器人?

在开发机器人探索海洋之前，如果海底管道和电缆损坏或断裂，或者检查海底石油钻塔和港口码头的基础设施的安全性和稳定性，就必须依靠潜水员进行维修。这些潜水员必须冒着危险潜入深海进行修理、检查甚至打捞任务。

随着技术的进步，这些危险的任务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。或检查海底管道、水下结构物、海底电缆、石油钻探平台和港口等水下设施以及军事行动，大大降低了人员在执行这些任务时面临的风险。

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。即使在能源灾难不断的今天，新能源的探测和开发也需要依靠足够的深海勘探能力。为了适应海洋发展和海洋可持续发展的需要，水下机器人已成为探索未知深海的重要工具，也是世界先进国家竞相研发的目标。

未知海域:

由于黑暗、寒冷和高压的限制，大部分深海地区尚未被人类探索过。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，海洋还会吸收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米深处的水温通常只有4到6摄氏度。在深海中，毁灭性的压力限制了所有进入它的东西。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，海水中水深每增加10米，它就会增加约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。或者长时间停留在深海的特定区域，如山脊和海沟，收集和探测数据。在深海工作，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，其中包括rov、自主水下航行器(auv)和机器人技术。

什么是水下机器人?

• 水下机器人可分为遥控水下机器人和自主水下机器人两种类型。自主水下滑翔机是一种变形自主水下机器人。
• 遥控水下航行器:也被称为rov(遥控航行器)，它们依靠内部带有铜线或光纤束的系绳连接到海上工作的研究船，为水下机器人提供所需的动力，传输控制命令，并发回在海底收集的信息。rov已逐渐取代潜水员，成为水下作业的主流。因为他们可以装备机械臂进行勘探，他们可以用来收集样本，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，通过声波通信自主导航程序。水下航行器常用于冰下测绘作业、军事科学应用、声纳部署和安全监测站、危险废物场地调查、地质振动调查和火山地震记录、海底沉船探测、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都有基本的设备，如主计算机、螺旋桨、相机、灯和机械臂。通过通信电缆传输电力和信号后，ROV驾驶员就可以上船了。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按尺寸和功能可分为5级，即第一级观测型、第二级可装载观测型、第三级工作型、第四级拖曳型、第五级样机。
• 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:要在深海作业，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，需要应用和融合传感与控制技术、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，能够灵活应对深海恶劣环境的挑战。
• 导航定位:水下机器人通过网络对话的方式与安装在海底的声波应答器进行定位。每隔几秒，水下机器人向应答器网络发送一个声波信号，每个应答器以其独特的信号响应水下机器人。从网络中三个应答器反映的信息中，水下机器人可以使用简单的三角函数计算，依靠导航技术来知道当前的位置和方向。
• 速度:水下机器人利用多普勒声纳，向下方海床的底、前、后、左、右、左、右四个方向发射固定频率的声波，然后通过听这些声波反射回来时的频率差异，计算出它的速度。
• 依靠超声波在深海中浮潜:AUV水下机器人依靠重力和浮力的作用在海面和海底之间来回穿梭。从海里潜水时，它利用重力滑翔而下。当它到达目标点时，它抛出部分配重铅块，以平衡其重量和浮力，然后打开螺旋桨的推力，以最大速度潜入海底。在超声波传感器的帮助下，AUV水下机器人可以评估障碍物的距离，并与海底保持一定的高度。然后依次启动安装在AUV体底部的声纳或摄像头，将捕获的水下图像数据存储在计算机内存中。当动力即将耗尽时，AUV会扔掉最后的铅，轻轻地浮起来，在启动时返回大海。

海底技术通常使用哪些基材?

• BK7(或同等材料):通常以光学圆顶的形式用于潜水式rov, BK7基板在水下环境中具有两个主要特性-耐用性和高透射率。BK7具有优异的透光率，从300nm到2µm，是一种相对坚硬的材料，具有优异的化学耐久性，通常用于高压视口和水下相机。
• 蓝宝石(Al2O3):蓝宝石(Al2O3)被认为是地球上最硬的材料之一，是另一种用于窗户和潜水应用的视孔的基板。

如何开展广大海域的观测任务?

将各种水下机器人组合成一个海洋探测小组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观测结果，可有效实现大海域的观测任务。

由于水下机器人团队组成的维护，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。并且无需担心必须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也可以减少每个水下机器人之间的相对位置误差，有利于海洋数据的收集和分析。水下群体机器人网络的协同分工，以及多机器分工的概念，共同完成更大的海域和更复杂的任务，是未来水下机器人技术发展的重要趋势。

通过对不同水下机器人传感器采集的信息进行整合，研发团队编队控制技术，建立水下通信网络，使不同型号、不同功能的水下机器人能够相互通信、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，实现群体作业的理想。