水下無(wú)人機(jī)原理分析

　　水下無(wú)人機(jī)原理介紹

　　水下無(wú)人機(jī)是一種可在水下移動(dòng)、具有視覺(jué)和感知系統(tǒng)、通過(guò)遙控或自主操作方式、使用機(jī)械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的裝置。在上世紀(jì)70年代，水下無(wú)人機(jī)得到了很大發(fā)展，開(kāi)發(fā)出了一批能工作在各種不同深度、進(jìn)行多種作業(yè)的機(jī)器人，可用于石油開(kāi)采、海底礦藏調(diào)查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和檢查、海上養(yǎng)殖及江河水庫(kù)的大壩檢查等領(lǐng)域。

　　水下無(wú)人機(jī)分類

　　水下無(wú)人機(jī)UUV，Unmanned Underwater Vehicle可分為三大類：一類是有纜水下無(wú)人機(jī)，習(xí)慣稱拖曳式水下無(wú)人機(jī)（Towing Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱TUV），一類是遙控潛器（Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV）;另一類是無(wú)纜水下無(wú)人機(jī)，習(xí)慣稱為自治式水下潛器（Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV）。從第一代上世紀(jì)60年代的有人深潛器開(kāi)始，迄今已經(jīng)過(guò)了ROV（70年代）、AUV（80年代）和混合類型的第四代（Hybrid Vehicles）的演進(jìn)。

　　水下無(wú)人機(jī)控制問(wèn)題

　　水下無(wú)人機(jī)是在水中運(yùn)動(dòng)的具有六個(gè)自由度的剛體，它本身就是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng);由于在水中運(yùn)動(dòng)，水動(dòng)力（阻力）系數(shù)和運(yùn)動(dòng)速度的平方成比例;采用螺旋槳推進(jìn)，推力和螺旋漿轉(zhuǎn)速平方成正比。這一切使得控制問(wèn)題變得很困難，特別是要求在定點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，上述原因造成在零速時(shí)的“零增益、零阻尼”現(xiàn)象，使得動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的剛度很難滿足定點(diǎn)作業(yè)的要求。這是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。 圖3是兩種水下無(wú)人機(jī)的控制原理。

　　水下無(wú)人機(jī)的本體

　　潛水器：潛水器是攜帶觀察和作業(yè)工具設(shè)備的運(yùn)動(dòng)載體。在開(kāi)式框架結(jié)構(gòu)件上方的浮力塊，保證潛水器全負(fù)荷時(shí)水中浮力基本為零；在水平、側(cè)向和垂直方向都裝有推進(jìn)器，從而可實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)。框架前部或必要的地方安置云臺(tái)，在其上裝有電視攝像機(jī)和照明燈。常規(guī)的傳感器包括：成像聲納、羅盤、深度壓力傳感器、高度計(jì)等。水下電子單元包括：水下計(jì)算機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、控制模塊，安裝在常壓的密封倉(cāng)內(nèi)。系統(tǒng)監(jiān)視所需要的傳感元件包括： 動(dòng)力、壓力、溫度、漏水等。

　　中繼器：為了能迅速、準(zhǔn)確地將潛水器送到預(yù)定工作水深和較快地收回到水面，同時(shí)為了減弱母船搖擺及臍纜所受海流阻力給潛水器運(yùn)動(dòng)和作業(yè)帶來(lái)的附加阻力、干擾和影響，一般有纜遙控水下無(wú)人機(jī)配置中繼器。中繼器內(nèi)儲(chǔ)存系纜，并裝有系纜驅(qū)動(dòng)收放機(jī)構(gòu)，潛水器非工作狀態(tài)時(shí)將與中繼器聯(lián)鎖在一起。

　　吊放系統(tǒng)：用以投放、回收中繼器和潛水器。吊放系統(tǒng)通常采用門形結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)，并設(shè)有消擺機(jī)構(gòu)和臍帶電纜的儲(chǔ)存。

　　系纜：用于潛水器和中繼器之間機(jī)械軟連接及能源饋送和信息傳輸。系纜套穿浮力材料以使其在水中為零浮力，從而減小水流阻力對(duì)本體的干擾。

　　皚裝主纜：在吊放架與中繼器之間完成機(jī)械軟連接、能源輸送、信息傳輸?shù)淖饔?。它是鋼絲皚裝結(jié)構(gòu)，以便同時(shí)起到吊放鋼纜的作用，

　　觀察作業(yè)設(shè)備：在運(yùn)動(dòng)載體上安裝攝像機(jī)、成像聲納，構(gòu)成載體的基本系統(tǒng)。在需要作業(yè)時(shí)，可再加裝1—2水下機(jī)械手和多種水下作業(yè)工具。

　　水下無(wú)人機(jī)的通信問(wèn)題

　　和通信直接相關(guān)的有兩個(gè)系統(tǒng)：監(jiān)視系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。前者主要指用于水下無(wú)人機(jī)水下搜索和水下觀察的設(shè)備，一般包括有水下攝像機(jī)、云臺(tái)及照明、成像聲納、聲學(xué)和磁學(xué)定位系統(tǒng)等。后者主要指介入水下無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)控制和保障系統(tǒng)正常運(yùn)行所需要的傳感設(shè)備，一般包括有深度計(jì)、高度計(jì)、方向羅盤、溫度、壓力、電壓電流等，這些可以通過(guò)傳感器采集，并通過(guò)有線或無(wú)線方式進(jìn)行信息傳輸。然而目前水下通信的僅有手段是水聲和光纖。目前從國(guó)內(nèi)外的情況來(lái)看，水聲的可靠通信速率為1200波特率。通信時(shí)延取決于水聲在水中來(lái)回一次所耗費(fèi)的時(shí)間，水深為6000米時(shí)，傳輸時(shí)間就是8秒。傳輸?shù)木嚯x取決于使用的載波頻率及發(fā)射的功率，對(duì)水下無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，這兩者都受到了很大的限制。通信時(shí)延是一個(gè)本質(zhì)上不能克服的問(wèn)題，因此如何在功率限制的情況下，提高通信的距離將是一個(gè)主要問(wèn)題，目前通信距離僅十公里。隨著通信距離的增大，AUV的作業(yè)范圍也可隨之增大。利用水聲信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，必須克服傳輸時(shí)延所帶來(lái)的困難。右圖為一個(gè)水聽(tīng)器實(shí)例子。

　　水聽(tīng)器系統(tǒng)水聽(tīng)器系統(tǒng)是一種被動(dòng)聲學(xué)系統(tǒng)，使用四個(gè)RESON TC4013模塊和一個(gè)ADI公司SHARC-21369用來(lái)確定相對(duì)方向的水下聲波發(fā)射器。它具有在20-35之間kHz范圍內(nèi)的多個(gè)水下聲波發(fā)射器鑒別能力，但只能傾聽(tīng)和跟蹤一個(gè)選擇的頻率。水聽(tīng)器為計(jì)算機(jī)和海拔信息提供精確度±1的信息，這個(gè)信息在導(dǎo)航到聲波發(fā)射器的任務(wù)中用到。

　　光纖一般用于帶纜的水下無(wú)人機(jī)TUV、ROV，由光端機(jī)（水面）﹑水下光端機(jī)﹑光纜 組成。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)率高（100Mbit/s）， 很好的抗干擾能力。缺點(diǎn)，限制了水下無(wú)人機(jī)的工作距離和可操縱性。

　　水下激光通訊使用海水介質(zhì)吸收率最小的藍(lán)綠激光，已達(dá)100米深的海空通訊距離，但尚處于試驗(yàn)階段，功耗和體積較大，效率低，實(shí)用性有待提高。

　　水下無(wú)人機(jī)的能源問(wèn)題

　　能源問(wèn)題一直是限制AUV作業(yè)范圍的主要因素，研究開(kāi)發(fā)比能率高的能源是一個(gè)長(zhǎng)期努力的方向。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，然料電池是一種可供選擇的方案。未來(lái)可能用可變半衰期的核燃料的電池。在這些問(wèn)題解決之前，可以利用前述回收裝置作為中繼站，進(jìn)行水下充電，這樣就可以利用兩臺(tái)AUV交替充電，實(shí)現(xiàn)水下無(wú)限期的作業(yè)。當(dāng)然這樣并不能解決AUV的大范圍工作問(wèn)題。以下是ROV和AUV對(duì)能源的不同要求。

　　ROV水下無(wú)人機(jī)供電電壓通常與水下無(wú)人機(jī)的功率和工作深度有關(guān)。隨著深度的增加，高電壓的動(dòng)力輸送和動(dòng)力設(shè)備是必須具備的。為了減少臍帶電纜的尺寸和重量，將來(lái)ROV會(huì)采用更高的電壓等級(jí)。這些都將由水面提供交流電動(dòng)力，一般中小型水下無(wú)人機(jī)采用220V，50～60Hz單相交流電供電，大型水下無(wú)人機(jī)多用3000v以上的三相交流電向水下載體供電。

　　AUV自身攜帶電池，早期多采用密封的鉛酸電池，現(xiàn)在多采用高比能的銀鋅電池等。

　　水下無(wú)人機(jī)發(fā)展前景及問(wèn)題分析

　　新一代水下無(wú)人機(jī)的發(fā)展日趨混合化，結(jié)合ROV和AUV的優(yōu)點(diǎn)，如ROV要求一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用大容量計(jì)算機(jī)，實(shí)施處理資料和進(jìn)行數(shù)字控制；三是潛水器上的機(jī)械手采用多功能，力反饋監(jiān)控系統(tǒng)：四是增加推進(jìn)器的數(shù)量與功率，以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力，而AUV除以上共性特點(diǎn)還要不斷提高其自治能力和生存能力，避免丟失這一無(wú)纜深潛器所面臨的最大問(wèn)題。從關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展上我們可以分述如下：

　?、倌茉醇夹g(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池具有水下無(wú)人機(jī)的動(dòng)力裝置所需的性能。該電池的特點(diǎn)是能量密度大、高效產(chǎn)生電能，工作時(shí)熱量少，能快速啟動(dòng)和關(guān)閉［9］。該電池技術(shù)難點(diǎn)是合適的安靜泵、氣體管路布置、散熱、固態(tài)電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲(chǔ)。

　?、诰_定位技術(shù) 目前水下無(wú)人機(jī)在水上采用GPS，水下定位采用聲學(xué)定位設(shè)備。水下GPS技術(shù)目前正在迅速地發(fā)展，自治導(dǎo)航的精度預(yù)計(jì)將在5年內(nèi)提高10倍。

　　③零可見(jiàn)度導(dǎo)航技術(shù) 混水作業(yè)一直是水下無(wú)人機(jī)應(yīng)用的最大障礙，利用聲學(xué)、激光技術(shù)以及計(jì)算機(jī)圖形增強(qiáng)技術(shù)，將使這個(gè)難題得到解決。

　　④材料技術(shù) 在水中每增加10m的水深，外界壓力將增加1個(gè)大氣壓 （0.1MPa）。高強(qiáng)度、輕質(zhì)、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和浮力材料是水下無(wú)人機(jī)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)問(wèn)題。

　　⑤作業(yè)技術(shù) 水下無(wú)人機(jī)的發(fā)展目標(biāo)是代替人完成各種水下作業(yè)。柔性水下機(jī)械手、專用水下作業(yè)工具以及臨場(chǎng)感、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，將便水下無(wú)人機(jī)在海洋開(kāi)發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

　?、蘼晫W(xué)技術(shù) 被稱為聲學(xué)技術(shù)革命的最新的 “矢量換能技術(shù)”，可使自主水下無(wú)人機(jī)的跟蹤距離達(dá)到100km以上。低頻水聲通訊技術(shù)可使在水下的通訊距離達(dá)到1000km以上，圖像的水下傳輸距離可達(dá)20km以上。水聲技術(shù)的發(fā)展將使水下無(wú)人機(jī)真正具有“千里耳”。

　?、咧悄芗夹g(shù) 機(jī)器具有與人相同的智能或超過(guò)人的智能是科幻電影的事情，從目前機(jī)器智能的發(fā)展程度看還需有較長(zhǎng)的路要走。由人參與或半自主的水下無(wú)人機(jī)是解決目前復(fù)雜的水下作業(yè)的現(xiàn)實(shí)辦法。

　?、嗷厥占夹g(shù) 水下無(wú)人機(jī)的吊放回收作業(yè)一般是在海面附近進(jìn)行，所以常受海況條件的限制而成為影響水下無(wú)人機(jī)水下作業(yè)的主要因素。