于洋
(山東省青島第二中學(xué),山東青島,266100)
地球上海洋的總面積約為3.6億平方公里,約占地球總表面積的71%,海洋中蘊含著豐富的資源。隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展和陸地資源逐漸匱乏,海洋的價值也越來越被人類重視,海洋開發(fā)成為了當(dāng)今各國發(fā)展的重要途經(jīng)。近幾年我國各項海洋技術(shù)都得到了大幅度的發(fā)展,水下機器人是海洋開發(fā)技術(shù)的重要技術(shù)之一。水下機器人可在被嚴重污染環(huán)境、危險程度高的環(huán)境以及可見度為零的水域代替人工在水下長時間作業(yè),具有良好的工作能力。同時,水下機器人在石油開發(fā)、科學(xué)研究、海底地貌勘察、水下實施檢查和軍事等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。
水下機器人也稱作無人水下潛水器,它可以在水下代替人類完成某些復(fù)雜任務(wù)。水下機器人的分類方式有很多種,通??梢苑譃檩d人水下機器人(HOV),遙控機器人(ROV)和智能水下機器人(AUV)三類,見表1。
表1 水下機器人的分類
載人水下機器人包括蛟龍?zhí)柡蜕詈S率刻柕取r札執(zhí)栞d人潛水器是中國自行設(shè)計、自主集成研制的第一臺作業(yè)型深海載人潛水器,在2012年6月,蛟龍?zhí)杽?chuàng)造了下潛7062米的中國深潛載人記錄。深海勇士號載人潛水器是中國第二臺深海載人潛水器,它可以下潛到水下4500米處進行作業(yè)。
遙控機器人包括海馬號、海星6000等。海馬號是我國自主研制的首臺4500米級深海遙控?zé)o人潛水器作業(yè)系統(tǒng),最大下潛深度達到4502米,并完成了海底地震儀海底布放、水下布纜等多項任務(wù)。海星6000是我國首臺自主研制成功的6000米級有纜遙控水下機器人裝備,由中科院沈陽自動化研究所聯(lián)合中科院海洋所等單位共同研制,最大下潛深度6001米,為我國ROV最大下潛深度。
智能水下機器人包括包括AUV以及水下滑翔機(UG)等,潛龍一號是由中科院沈陽自動化所聯(lián)合中科院聲學(xué)所、哈工程大學(xué)研制的AUV,深入水下6000米,可以在水下工作中完成了探測海底地形地貌等一系列任務(wù)。潛龍二號是以中科院沈陽自動化作為技術(shù)總體單位,與多個研究所共同研制的水下機器人,可以用于多金屬硫化物等深海礦產(chǎn)資源的勘探作業(yè)?!昂Q?II”是由天津大學(xué)研發(fā)的一款水下滑翔機,針對于工作深度、航行速度等方面實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展。“海翼”深海UG是中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在2017年研制出的一款7000米級水下機器人。天津大學(xué)研制的“海燕-10000”以8213 米的深度創(chuàng)造深海UG的世界紀錄。
國外一些國家對AUV的研制開始較早,有較長的發(fā)展歷史,在近代的海上工作中發(fā)揮了巨大作用。主要AUV包括:REMUS 6000(挪威Kongsberg公司)、Blue fi n21(美國Hydroid公司)、Autosub 6000(英國南安普頓國家海洋中心)、SeaBed AUV(美國伍茲霍爾研究所)等[1]。
3.1.1 智能控制
智能控制是一個由人工智能、自動控制和運籌學(xué)的交叉構(gòu)成的交叉學(xué)科。近年來,智能控制技術(shù)成為水下機器人發(fā)展的一個重要技術(shù)。水下機器人難于控制的原因有幾個方面,水下機器人在運行中收到海流等外界極不穩(wěn)定環(huán)境因素的干擾,使其控制變得更加困難;水下機器人各項參數(shù)的高度的非線性的特點;水下機器人的水動力性能在不同的海洋環(huán)境下會改變較明顯;海底水下機器人水動力系數(shù)難以測量,不能獲得一個較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù);水下機器人體積大、質(zhì)量大,因此所受慣性大,運動變化難以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn);水下機器人在運動過程中重心和浮心易改變會引起控制較為困難等。智能控制如果能用在水下機器人,可以更好的使其適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境。
3.1.2 智能控制的發(fā)展概況
智能控制技術(shù)應(yīng)用于60年代,形成于70年代,應(yīng)用實踐于80年代,快速發(fā)展于90年代。
3.1.3 智能控制系統(tǒng)的類型
(1)專家(仿人)控制系統(tǒng):由工程控制論和專家系統(tǒng)結(jié)合而成,總結(jié)人的控制經(jīng)驗、方法和各種人類自主進行的推理技巧,進而實現(xiàn)控制的一種經(jīng)驗控制系統(tǒng)。
(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng):將一些變化信號經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的評價函數(shù)映射為控制信號對系統(tǒng)進行控制。
(3)模糊控制系統(tǒng):應(yīng)用于無法建立數(shù)學(xué)模型或者難以建立數(shù)學(xué)模型的情況之下。
(4)分級集成智能控制系統(tǒng):運用多個層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)控制,或運用多種控制方法類型結(jié)合在一起構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)[2]。
3.1.4 智能控制的主要功能特點
水下機器人智能控制的主要功能特點有自適應(yīng)功能、學(xué)習(xí)功能、組織功能、魯棒性、容錯性、實時性等。自適應(yīng)功能、學(xué)習(xí)功能、組織功能是水下機器人智能控制的核心技術(shù),魯棒性、容錯性、實時性是水下機器人智能控制的基礎(chǔ)和保證。
3.1.5 智能控制的應(yīng)用對象
(1)更加復(fù)雜的任務(wù)要求
引入智能控制技術(shù)解決傳統(tǒng)的控制技術(shù)難以精準(zhǔn)控制的復(fù)雜任務(wù)。
(2)非線性的模型
引入智能控制系統(tǒng),對非線性模型的處理上實現(xiàn)進一步的研究及處理。
(3)掌控自適應(yīng)能力的模型
引入智能控制技術(shù)提高水下機器人的自適應(yīng)能力和自我決策能力,機器人能夠較好地處理特殊情況,使控制更加自如有效[2]。
3.2.1 導(dǎo)航通信
由于噪聲、洋流等多種環(huán)境因素對導(dǎo)航過程的影響,水下機器人的實際運行路線與規(guī)劃路線會有較大的偏差,通過對導(dǎo)航通信技術(shù)的研究,可以在提高導(dǎo)航精度、提高機器人完成任務(wù)的能力等方面實現(xiàn)突破。
3.2.2 導(dǎo)航技術(shù)分類
(1)航位推算:通過記錄機器人自身的運動方式和運動時間,大致推算機器人的航行位置。但由于不同洋流等不確定因素眾多,航位推算的準(zhǔn)確率較低。
(2)慣性導(dǎo)航:慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實質(zhì)上是一種參數(shù)測量裝置,可以測量加速度、角速度等多種物理量以致于實現(xiàn)輔助導(dǎo)航的功能。
(3)GNSS的定位方法:通過研制水下GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)提高水下航行的精度,該系統(tǒng)的精度極高,位置測量精度可達5厘米[3]。
(3)多普勒聲納導(dǎo)航:應(yīng)用多普勒效應(yīng),通過檢測聲音的傳播差異,推算出距離的差異,從而實現(xiàn)導(dǎo)航,這種導(dǎo)航技術(shù)適用的空間范圍大,但是精度較低。
(4)視頻導(dǎo)航:通過進行水下視頻實時傳導(dǎo)實現(xiàn)導(dǎo)航,精度較高,但在長距離導(dǎo)航時運用的能力較差。
(5)組合式導(dǎo)航:多種導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合。例如:在距離目標(biāo)距離較遠時運用聲納導(dǎo)航,雖精度較低,但可以實現(xiàn)快速運行;在距離目標(biāo)較近時運用視頻導(dǎo)航,實現(xiàn)高精度的準(zhǔn)確導(dǎo)航。
3.2.3 通信技術(shù)
通信技術(shù)就是通過某些技術(shù)的支持實現(xiàn)良好的信息傳遞,主要的方式有水聲通信、電纜通信、藍綠光通信以及龐大的通信系統(tǒng)構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)等。
在陸地上主要運用的通信方式是電磁波通信,但是在海洋中,電磁波難以長距離傳播,因此水聲通信成為水下較好的通信方式。它的工作原理是通過數(shù)字化處理技術(shù)將聲音、圖像、文字等信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,利用信號轉(zhuǎn)化裝置將電信號轉(zhuǎn)化為聲信號,發(fā)射端以水為媒介將聲信號傳遞出去,接收端接收到信號后,再將聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?,進而轉(zhuǎn)化為聲音、文字、圖像等信息[4]。此外,電纜通信也是一種運用較多的通信技術(shù),主要運用于ROV上,具有傳播信息量多、傳播信息穩(wěn)定性高等特點,但由于電纜的限制,導(dǎo)致這種通訊方式控制的機器人活動能力受限,不能大范圍運動。隨著科技的發(fā)展,藍綠光通信成為了當(dāng)前的主要發(fā)展方向,藍綠光通信具有傳播速度快、抗衰減能力強等諸多優(yōu)勢,有望在水下機器人的通信中實現(xiàn)新突破。
為了更好的實現(xiàn)導(dǎo)航通信技術(shù),組網(wǎng)編隊技術(shù)顯得尤為重要,建立水下機器人組網(wǎng)編隊通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有諸多優(yōu)勢。組網(wǎng)編隊可以給予水下機器人個體之間的信息交流傳遞、協(xié)調(diào)配合一定的支持,同時使信息可以在機器人內(nèi)部不同功能模塊之間流通,從而實現(xiàn)了從單一個體到集群組網(wǎng)工作的突破。相關(guān)的領(lǐng)域主要有:協(xié)助觀測、任務(wù)分配、立體綜合觀測網(wǎng)等[5]。
使水下機器人更加智能化。更好的運用智能控制系統(tǒng)于水下機器人之中,提高水下機器人自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自判斷能力,使水下機器人在遇到不同狀況時可以作出準(zhǔn)確且恰當(dāng)?shù)臎Q定,能夠最大限度地適應(yīng)外部環(huán)境。同時實現(xiàn)水下機器人的導(dǎo)航定位準(zhǔn)確化。研制出更加精確的水下環(huán)境感應(yīng)系統(tǒng),從而更加準(zhǔn)確的判斷環(huán)境對航行路線的影響,實現(xiàn)航行定位的更加準(zhǔn)確化。
從個體機器人作業(yè)向機器人組網(wǎng)編隊集群作業(yè)轉(zhuǎn)化,建立水下作業(yè)網(wǎng),以更好的進行水下任務(wù)和海底探測。
由于水聲通信、有纜通訊等的局限性,在未來藍綠光通信將會成為研究的一個重要方向,其具有抗衰減性強、穩(wěn)定、傳播速度快等諸多優(yōu)點,有利于實現(xiàn)海底通訊的穩(wěn)定化。
目前水下機器人通過對智能控制、導(dǎo)航通信等技術(shù)的應(yīng)用,達到了水下機器人的基本控制效果,各國高度重視各類型水下機器人的組網(wǎng)編隊對海地觀測、軍事目標(biāo)探測的應(yīng)用,這也是未來的一個重大發(fā)展方向。