水下机器人技术的发展与应用分析

水下机器人技术的发展与应用分析

陈志明

（中国船舶重工集团公司第七一五研究所浙江杭州310023）

摘要：随着社会的进步，科技的发展，有限的陆地资源日益匮乏，为了获取更多的生存资源，海洋的开发工作势在必行。以此为基础，在海洋开发的过程中，为了能够充分认识海洋资源、开发海洋资源、利用海洋资源、保护海洋资源，在海洋开发的过程中，需要水下机器人的协助。本文以水下机器人的现状为基础，对其关键技术进行了详尽的分析与讨论，旨在为其日后的发展做出贡献。

关键词：水下机器人技术；技术应用；发展趋势。

当前，国内海洋资源开发业得到了快速的发展。众多水下机器人的研制为国内认识、开发以及保护海洋资源提供了重要的参考条件，与此同时，为国内海洋资源发展也奠定了较好的基础。本文以水下机器人相关技术为基础，分析探讨了水下机器人的发展趋势。

1水下机器人发展现状

因为国内水下机器人的起步晚，所以相关技术距离发达国家有一定差距，虽然国内水下机器人技术已经取得很大的进步，但是在具体实际应用的过程中，还是会存在一定的限制。即使在发达国家进行租赁或者购买水下机器人，不能和国内海洋考察相适应的同时，还会耗费大量的资金，与国内国情不符。所以，随着海洋开发需求的快速增长，提高水下机器人相关技术十分有必要。

2水下机器人的关键技术应用

2.1水下机器人载体设计技术

（1）载体一体化设计技术。该项技术采用的是模块化设计与标准化设计，为了能够进一步降低水下机器人的生产成本以及使用成本，同时提高其可靠性，国内外在水下机器人的设计过程中，尽可能会采用模块化设计，同时综合考虑结构优化与总体布局设计。（2）水下机器人在应用仿生技术的时候，需要综合考虑载体的现实性与可能性[1]。当前，国内外在设计水下机器人的过程中，试图将仿生技术应用其中，因为鱼类摆尾效率更高噪音较小，是理想的放生对象。（3）水下机器人设计过程中，小型化技术的相关应用。因为体型微小的水下机器人具有更高的利用价值，当前，发达国家已经致力于研究这样的智能化载体。

2.2水下机器人运动控制技术

水下机器人在工作过程中，运行没有一定规律，并且综合考虑其工作环境的复杂性，给水下机器人运行模型的确定，带来一定难度。大多专业的研究人员将大部分经历在模糊逻辑控制和神经网络的技术上.这种技术的优点是，能够充分的考虑到水下机器人各个自由度之间和强非线性耦合性，对水下机器人自身系统以及其周围的环境进行跟踪学习。然而，这项技术也有一定的缺点，其自身结构和相关参数不容易确定，与此同时，如果外界的干扰幅度类似于水下机器人的运行幅度，那么，该项技术就会出现滞后现象，控制起来不够稳定，容易出现震荡。

2.3智能规划与决策技术

在试验过程中，会发生十分明显的海流变化，海流变化的时间与方向不仅与地点有关，还与时间有着十分紧密的联系。所以，在进行智能控制系统进行规划的时候，海流作为十分重要的影响因素，必须考虑其中。在水下机器人进行工作的过程中，如果工作的海洋区域有流，那么有两种规划方法：（1）坐标系旋转法，坐标系旋转法的工作原理是，将坐标系绕着Z轴进行旋转，旋转到来流方向和X正半轴方向重合.在进行搜索时，保证X正半轴方向与机器人方向一致相同，就可以实现机器人相关设计要求；（2）以栅格为基础的空间激活值传播法.这项技术可以实现所有优化条件，另外更加适合较为复杂的工作环境，控制生成路径的能力更好，这种方法更好的适应了机器人艏向尽量顶流的相关要求，并且，已经在海中试验中，崭露头角。

2.4水下机器人系统仿真技术

凭借仿真平台，对各类海况进行仿真，或者对水下机器人在工作中极有可能遇到的状况以及产生的后果进行仿真，分析实验结果后，制定相应对策，这项工作对于水下机器人的可靠性与安全性十分重要。另外，完成相关试验后，仿真器可以记录各类数据，并且根据相关数据，对水下机器人的活动进行控制。

2.5水下目标的探测与识别技术

近年来兴起的方法为激光成像法，适合水下机器人的使用，因为其不论是体积重量还是消耗的功率都相对较小，成像的质量也远远高于其他技术。在成像的过程中，该技术还能提供更为精准的距离信息。

2.6水下机器人可靠性技术

水下机器人实质是一个集合人工智能、模式识别、系统集成与自动控制的集成体。在其工作过程中，需要综合考虑复杂的环境因素，其技术是否可靠显得十分关键。当前最为重要的工作就是，能够实现水下机器人故障的自我诊断与容错控制。

3水下机器人未来发展趋势

3.1向高度智能化方向发展

日前，怎样才能有效的将水下机器人的智能化水平进行提高，涉及到水下机器人只能体系结构、工作过程中环境感知以及相关任务规划的研究与开发[2]。新一代水下智能机器人应该综合多种探测与识别技术，进行环境与目标识别能力的提升。与此同时，在规划决策与控制运动方面，应该采用更加智能化的信息处理方式。

3.2向导航定位高精度、高效率方向发展

为了能够实现水下机器人的导航定位，需要新型导航基础的研发。例如重力磁力匹配导航技术、海底地形匹配导航技术以及其他地球物理学导航技术等，其中，海军潜艇导航所应用的就是海底地形匹配导航技术，这项技术具有读数更为精确，效率更高的优点。水下机器人未来的发展方向一定是更为精准，更为效率。

3.3向高密度能源方向发展

为了能够满足军用以及民用需要，水下机器人不仅要具备专业的处理技术，同时还需要持久的续航力，所以，在水下机器人设计的过程中，对各系统能耗进行优化的基础上，尽量提升机器人能够携带的总能量。就水下机器人目前的情况来看，电池占用了水下机器人的大部分体积与重量，但是能量密度值极低，对水下机器人其他方面的性能有一定的制约。所以，水下机器人的发展方向为：具有高效率高密度能源，在控制能源系统体积和重量为前提，尽量满足机器人机动性需求，以便其能够充分发挥其他方面的性能。

3.4向模块化、标准化方向发展

以保证并且提升水下机器人相应工作性能为前提，实现其应用的过程尽量规模化，需要尽可能缩减水下机器人的研制时间，尽可能的节约研制成本，保证水下机器人能够批量进行生产，这些工作均需要建立在水下机器人标准化与模块法的基础上。与此同时，必须保证水下机器人在进行研制的过程中，所有相关部门必须协同设计，进一步增强水下机器人的系统和机体结构的兼容性。

4结语

目前，在海洋开采工作中，水下机器人技术已经有一定的应用，这项技术可以为水下观察、水下开采作业提供数据，具有十分广阔的应用前景。随着自动化以及智能化技术的应用，水下机器人会逐渐实现高智能化，为国内军事领域提供强大的数据支撑。

参考文献：

[1]袁夫彩.水下机器人的发展及在黄河上的应用[J].机床与液压，2016，（03）：55-56.

[2]王丽荣.水下机器人控制系统故障诊断研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.