水下機(jī)器人文獻(xiàn)綜述.pdf

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1、《水下機(jī)器人》的文獻(xiàn)綜述內(nèi)容摘要水下機(jī)器人依據(jù)其控制方式可分為有纜遙控水下機(jī)器人(ROV)和無(wú)纜自治水下機(jī)器人(AUV)兩大類。ROV和AUV各有其優(yōu)缺點(diǎn)。從集ROV和AUV兩者優(yōu)點(diǎn)的思路出發(fā)，設(shè)計(jì)遙控自治水下機(jī)器人（ARV）。本文先從水下機(jī)器人的有關(guān)概、關(guān)鍵技術(shù)、焦點(diǎn)問(wèn)題出發(fā)，然后詳細(xì)綜述了國(guó)內(nèi)外水下機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在的的問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論，并對(duì)ARV原理樣提出了簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)今后可進(jìn)行的研究?jī)?nèi)容做了展望和總結(jié)。關(guān)鍵詞：水下捕撈機(jī)器人ROVAUVARV第一章前言1.1水下機(jī)器人有關(guān)概念水下機(jī)器人是能在水中浮游、具有視覺(jué)和感知系統(tǒng)、通過(guò)遙控或

2、自主操作的方式使用機(jī)械手及其其他水下作業(yè)，代替人或輔助人去完成某些水下作業(yè)的自動(dòng)化裝置。依據(jù)其控制方式可分為有纜遙控水下機(jī)器人(RemotelyOperatedVehicle，簡(jiǎn)稱ROV)和無(wú)纜自治水下機(jī)器人(AutonomousUnderwaterVehicle，簡(jiǎn)稱AUV)兩大類[1]。ROV作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸快速可靠、整體決策能力高、便于回收，但是活動(dòng)范圍受限、電纜纏繞、過(guò)于依賴人的控制。而AUV活動(dòng)范圍大、潛水深度深、自身決策能力高，但是能源有限、成本高、設(shè)計(jì)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高損失大[2]。從集ROV與AUV兩者優(yōu)點(diǎn)于一體的思路研究，各國(guó)學(xué)者提出了介于ROV和AUV

3、之間的混合型水下機(jī)器人。日本海洋科學(xué)與技術(shù)中心(JAMSTEC)研制的UROVTKE[3]、美國(guó)研發(fā)了“海神”號(hào)(Nereus)HROV[4]均屬于此類型。目前我國(guó)在此方面也作了研究，提出ARV(Autonomous&Remotely—operatedVehicl）新型水下機(jī)器人概念，此新型水下機(jī)器人具有兩種工作模式，既可作為傳統(tǒng)的ROV使用又可作為AUV使用。針對(duì)大面積的搜索、探測(cè)，它可以像AUV一樣利用聲納、攝像機(jī)進(jìn)行自主探索和測(cè)繪工作；一旦找到目標(biāo)，潛器將可迅速轉(zhuǎn)換成一個(gè)ROV，通過(guò)操作人員遙控進(jìn)行近距離的成像和采樣[5]。1.2發(fā)展水下機(jī)器人的必要性在浩渺的海洋中

4、擁有豐富的生物資源、礦物資源、海洋能源和廣闊的海洋空間。海洋資源的開發(fā)和利用對(duì)人類未來(lái)的生存和發(fā)展將具有十分重要的意義，海洋領(lǐng)域之探索將成為必然的發(fā)展趨勢(shì)[6]。而水下機(jī)器人是海洋開發(fā)的重要工具。1.3《水下機(jī)器人》文獻(xiàn)綜述目的通過(guò)翻閱這些參考資料和文獻(xiàn)，初步了解了國(guó)內(nèi)外水下捕撈機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、設(shè)計(jì)形式和設(shè)計(jì)方案。然后自主研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多功能新型水下機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有流線型結(jié)構(gòu)，通過(guò)自身的六個(gè)推進(jìn)器相互配合，完成水下各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。1.4水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)1.4.1總體技術(shù)水下機(jī)器人是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，集幾十種學(xué)科技術(shù)于一體，相互牽制，設(shè)

5、計(jì)時(shí)要在滿足總體性的要求的情況下，相互協(xié)調(diào)。從流體動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，外形采用低阻的流線型體。結(jié)構(gòu)采用重量輕、浮力大、強(qiáng)度高、耐腐蝕、降噪的輕質(zhì)復(fù)合材料。1.4.2仿真技術(shù)由于水下環(huán)境復(fù)雜多變，且不可接近，使得對(duì)真實(shí)硬件與軟件體系的研究和測(cè)試比較困難。為此在水下機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)階段，要進(jìn)行仿真技術(shù)研究，內(nèi)容為兩部分：平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真和控制硬、軟件的仿真。1.4.3水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)目前，水下機(jī)器人用于水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的設(shè)備僅限于合成孔徑聲納[7]、前視聲納和三維成像聲納等水聲設(shè)備。1.4.4智能控制技術(shù)智能控制技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)是人工智能技術(shù)、各種控制技術(shù)在內(nèi)的集成。軟件體系是

6、水下機(jī)器人總體集成和系統(tǒng)調(diào)度，直接影響智能水平，它涉及到基礎(chǔ)模塊的選取、模塊之間的關(guān)系、數(shù)據(jù)（信息）與控制流、接口協(xié)議、全局性信息資源的管理及總體調(diào)度機(jī)構(gòu)。1.4.5路徑規(guī)劃技術(shù)路徑規(guī)劃就是在具有障礙物的環(huán)境內(nèi)，按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）到達(dá)目標(biāo)狀態(tài)（包括位置和姿態(tài)）的無(wú)碰路徑[8]。目前，路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃也是建立在水下機(jī)器人對(duì)其環(huán)境了解程度的基礎(chǔ)上的。全局路徑規(guī)劃需要運(yùn)動(dòng)空間里完全的障礙物信息，而局部路徑規(guī)劃可以通過(guò)當(dāng)前的聲納信息實(shí)時(shí)地規(guī)劃。常用的有兩種路徑規(guī)劃方法，一種是坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)法，基本思想是將坐標(biāo)系繞著

7、Z軸旋轉(zhuǎn)，直到X正半軸方向指向來(lái)流方向，在工作中保證機(jī)器人的姿態(tài)始終與X正半軸方向一致。另一種是基于柵格的位形空間激活值傳播法。1.4.6水下導(dǎo)航技術(shù)由于受到尺寸、重量及電源使用的限制，要在水下無(wú)人航行器上實(shí)現(xiàn)非常精確的導(dǎo)航系統(tǒng)是相當(dāng)困難的，水下機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展需要傳感器數(shù)據(jù)的綜合和導(dǎo)航傳感器技術(shù)的進(jìn)展。水下機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)有多種，如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、重力導(dǎo)航系統(tǒng)、海底地形導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁場(chǎng)導(dǎo)航系統(tǒng)、引力導(dǎo)航系統(tǒng)、長(zhǎng)基線、短基線和光纖陀螺與多普勒計(jì)程儀組成推算系統(tǒng)等，目前被普遍看好的是光纖陀螺與多普勒計(jì)程儀組成推算系統(tǒng)。1.4.