深度揭秘中国水下机器人产业

伴随着人类开发海洋、利用海洋、保护海洋进程的加快,作为人类探索未知深海、争夺国际海底资源的重要手段,水下机器人这一高新技术受到世界发达沿海国家的普遍重视,并得以快速发展日臻完善。在中国,水下机器人研究工作从上世纪70年代末起步,由著名战略科学家蒋新松院士首先在我国开拓了水下机器人这个研究领域,至今已经走过了30年的历程,取得了丰硕的成果。

中国水下机器人研究历程

我国第一台有缆遥控水下机器人“海人一号”诞生于1986年,它是由中国科学院沈阳自动化研究所与上海交通大学合作完成的。此后,上述两个单位分别在国内有关单位的大力配合下,充分利用国际合作的条件,通过持续不断的努力使我国有缆遥控水下机器人从实验室走向了实际应用阶段。 在有缆遥控水下机器人领域,国际上有的各种类型我国基本上都能制造,我国300米以浅的有缆遥控水下机器人大体上已经达到了与国际相齐的水平,目前我国有缆遥控水下机器人正在向更大深度和更大功率方向发展,不久我国将出现100马力、3500米深的水下机器人。更强作业能力、更深海域的有缆遥控水下机器人也已在我国科学家的视野中。 在国家“863计划”持续不断的支持下,从20世纪90年代初期,由国内多家科研单位合作研制了我国第一台潜深1000米的自主水下机器人——“探索者”号。此后又与俄罗斯合作,先后成功研制开发出了“CR-01”“CR-02”6000米无缆自治水下机器人,为我国深海资源的调查开发提供了先进装备,使我国成为国际上为数不多的拥有这类设备的国家。 服务国家海洋事业是设计制作水下机器人的主要原因。中国工程院院士、水下机器人专家封锡盛说,我国深水自主水下机器人的研究工作与中国的大洋资源科学考察密切相关。他形象地把国际海底资源考察比喻成“跑马圈地”,他认为中国大洋矿产资源研究开发协会目前从事的是一项造福子孙后代的伟业。现在,我国已经有多个单位从事自主水下机器人的研究开发,并且不断地扩大其应用领域,我国自主水下机器人呈现了快速发展的大好局面。 据封锡盛介绍,当前重要的海洋科学考察装备主要有3种类型备受关注,分别是载人潜水器、遥控水下机器人和自主水下机器人。封锡盛委员认为,从科学研究的角度看载人潜水器,是一种极其适合于海底搜索、调查、观察、识别和打捞作业的有效工具,过不了很久,国人将看到我国的深水载人潜水器在大洋里遨游。 谈到我国整体海洋装备制造国产化的问题,封锡盛承认,我国现在的很多重大装备,包括各类水下机器人确实采用了一些国外的零部件和原材料。他认为要改变这一状况,还需要时间,需要国家整体工业水平和科技水平的提升。为此,封锡盛建议,在当前科研经费比较充裕的情况下,国家有关部门应认真做好水下机器人的长期科技发展规划,集中力量,明确战略主攻方向,协同作战,把钱用在刀刃上。 中国水下机器人应用广泛 日前,长江航道救助打捞局水下检测中心在长江荆江河段开展了新型水下机器人设备试验,为水下检测新方法作出了有益的探索。这意味着,未来水下机器人可能更广泛地应用于水下打捞。 中科院沈阳自动化研究所、自主水下机器人技术研究室主任林扬介绍,一般而言,水下机器人包括有缆遥控水下机器人(ROV)和自主水下机器人(AUV)两大类。 “ROV的优点是水面操作人员可实时观察到水下环境并遥控操作,对机器智能要求不高,缺点是由于电缆连接,其活动范围有限;AUV的优点是由于没有电缆连接,其活动范围较大,不受母船制约,不足是对机器智能要求较高,目前仅限于简单的水下探测作业。”林扬指出,目前发展了ROV和AUV混合型水下机器人,其活动范围较ROV大大增加,且操作者可以通过光纤实时监测和操控水下机器人,因此也称之为半自主水下机器人。 中科院沈阳自动化研究所海洋技术装备研究室主任李硕告诉记者,今年7月份,深海滑翔机在南海完成了区域覆盖观测试验性应用,这是我国自主研制的滑翔机首次完成该项试验性应用。 中科院光电技术研究所高级工程师冯常则介绍了一种工作于特种环境条件下的水下机器人。目前,该所研发的水下机器人主要应用于核电站停堆大修期间关键设施设备的监测及维护。 仿生机器鱼中国领跑研发

清澈的水池里,几条小鱼在欢快嬉戏。在水池一侧,几位戴着眼镜的博士正紧张地盯着屏幕上的数据和程序,随着鱼儿游来游去,不断调整着各类编程代码。原来水池里欢快的小鱼并非真鱼,而是一条条机器鱼,中国科学院自动化研究所的几位同事正在做机器鱼实验。

鱼类历经亿万年的进化,形成了适应不同生存环境的外形、结构和运动模式,如高速游动的剑鱼、可在空中滑翔的飞鱼、逆流而上的大马哈鱼等等,它们优于船舶螺旋桨推进的高效率、高机动、低噪声、高加速性的游动方式,引起了研究人员的广泛关注。通过研究和模拟鱼类,开发出高效节能的水下推进器、高机动性的水下运载器,具有极大的应用价值,这也催生了机器人研究的一个新领域——仿生机器鱼。 仿生机器鱼是在鱼类身体、尾鳍、胸鳍、背鳍、腹鳍、臀鳍的结构及其运动分析基础上,采用机械设计、自动控制、计算机技术、电子技术等多学科知识,设计开发可以模仿鱼类游动的水下机器人系统,研究水下仿生高效推进系统的设计方法和控制方法。 在机器鱼的仿生结构设计中,综合考虑效率、机动性等因素,多模仿鳗鲡科、亚鲹科、鲹科等鱼类的身体尾鳍结构,以及鳐科、裸背鳗科等鱼类的中央鳍/对鳍结构。身体尾鳍结构一般采用串联连杆机构来模仿类似鲤鱼的运动,而其简化的结构可仅由电机带动尾鳍拍动来模仿类似金枪鱼的运动。通过控制鱼体和鱼鳍按照一定的规律进行拍动或波动运动,可在水下形成特定的涡流流场并产生推力,实现仿生机器鱼的推进。而通过调整鱼体或鱼鳍的姿态和运动规律,可实现仿生机器鱼的转弯、倒退、浮潜等机动运动。 我国在仿生机器鱼方面开展了大量的研究,在世界处于前列位置。目前研制了仿鲹科机器鱼、仿生鲤鱼、机器海豚、长鳍波动推进的水下运载器、子母式机器鱼等多种原型系统,研发了尾鳍推进、长鳍波动推进、高机动转弯、快速启动、倒退游动、浮潜运动、深度保持、姿态保持等关键控制技术,形成一系列具有自主知识产权的技术和方法,实现了仿生机器鱼水下三维高机动游动、机器海豚跃水等独具特色的仿生运动。我国的仿生机器鱼研究工作不仅被国外同行大量引用,研发的仿生机器鱼系统也已应用于英国、德国、澳大利亚等国内外大学的科研和国内多个科技馆的科普工作中。 水下机器人北极再“行走”

水下机器人“北极ARV”是沈阳自动化研究所在国家863计划支持下开发,具有全部自主知识产权的北极冰下自主与遥控海洋环境监测系统,已两次参加北极科考。 考察队员曾俊宝介绍说,为了备航第六次北极科考任务,课题组对机器人进行了适应性改造,目前的水下机器人体长1.07 米、宽0.65米、高0.92米,重约180公斤,体积和重量均减少了一半。同时,对它的推进器方位也进行了重新布置,增强了航行的机动性,使其在冰下航行更加灵活,更便于冰洞下潜与回收。 据了解,水下机器人将帮助科考人员获得利用传统设备在冰面无法获取的科学观测数据,包括冰下海冰物理特性和水文、光学特性的同步观测数据和资料等。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2015-01-18

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