一種用于水質勘測的水下機器人研究

李俊杰

摘要：進入經濟飛速發展21世紀，資源的緊缺讓人們把目光投入到占全球面積70%海洋上面。本文章先是簡單的介紹了水下機器人的發展歷史和現在國內外的研究情況，然后本文提出了可用于水質勘測的一種新型水下機器人的結構形式，并且概述本研究所針對的問題，和設計的解決方案，最后分析了水下機器人未來的發展趨勢和發展方向。

Abstract： In the 21st century， the shortage of resources makes peoplefocus on the ocean that accounts for 70% of the global area. This paper briefly introduces the development history of underwater robot and the research situation at home and abroad. Then， this paper puts forward a new structure form of underwater robot， which can be used for water quality survey. It also summarizes the problems and solutions designed by this research institute. Finally， it analyzes the future development trend and direction of underwater robots.

關鍵詞：水下機器人;結構設計;國內外發展;水下機器人未來發展

Key words： underwater robot;structural design;domestic and foreign development;future development of underwater robot

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0213-03

0? 引言

現如今，海洋作為能源蘊含最豐富的地方，吸引了世界各國的科學家的注意。而水下機器人能夠解決人類無法進入深水區和無法探測水下物質和能源等問題，成為了許多人特別重視的機器人。但是，水下機器人的定點采集微生物和探測水質和能源依舊是人們所面臨的困難，因此本文對此問題進行分析和研究。

1? 水下機器人發展歷史

在如今社會，人類面臨著環境、人口和資源這三大問題。當今世界的經濟正在飛速的發展，所以人類對于資源的需求就越來越大。而對僅占地球表面積不足百分之三十的陸地來說，資源是遠遠不夠人類使用的，所以人類就把目光投入到海洋上面了。

海洋面積約為3.6億平方公里，占地球表面積的百分之七十一。在海洋中，有著極其豐富的礦產資源生物資源和化學資源，其中的石油、煤、銅以及氯鈉等元素都是非常重要并且對于人類來說是需要的。因此，對于海洋的探測就顯得尤為的重要，水下機器人的作用就由此可見了。

從19世紀開始，人類就開始了對于海洋的探索，到了20世紀，水下機器人經歷了誕生、發展、到成為人類探索海洋的重要手段，受到了人們普遍的關注。進入21世紀，海洋作為世界資源最豐富的地方，受到了各個國家的爭奪，而作為探測海洋最重要的手段，水下機器人技術發展的更加迅速和成熟。

2? 水下機器人國內外現狀

2.1 國外

從20年代起，國外就對潛水器的研制就開始了，持續到60年代，主要是為了向深度發起挑戰。在1934年，美國研發的潛水器潛入到了914m的水深，到了1960年，人類第一次下潛到了海洋最深處10913m，即太平洋馬里亞納海溝。

由美國國際潛水器工程公司制造的自主式遙控潛水器[1-3]（ARSC）是專門為在北冰洋冰層下進行探測的水下機器人。該潛水器可以在水深366m的海洋里停留多達23個小時，航行速度9.25公里/小時，它可以在一個預先編好程序的航路上探測5平方公里海底區域[1]通過利用5個獨立的聲吶系統和潛水器內的計算機。

英國DUPLUS公司1987年研制成了一種新型水下機器人——DUPLUSⅡ型水下機器人。它的優點是可按有人、無人或有人加遙控等工作方式來使用。DUPLUSⅡ型水下機器人的作業深度為750m，在載人時，因為水下視覺更加直觀，所以在水下觀察、攝影以及水下機動作業都十分方便[2]。英國HYDROVISION有限公司于90年代開發研制的最新產品HYBALL水下機器人，它具有操縱方便、成本低、性能先進可靠、保養維修簡單、功能齊全等優點。HYBALL水下機器人完全由水面控制單元內的計算機控制，操作員可控制機器人前進、后退、側推、上升或下潛通過在水面上使用操縱桿[3]。

英國Heriot-Watt大學電子工程系做了大量卓有成效的工作在無纜水下機器人方面，1981年完成第一個水下機器人ANGUS 003，以后有將其發展成為ANGUS-ROVER穿梭式系統，是一種自主水下機器人。此系統還嘗試了應用人工智能，包括控制智能單元以及測試智能單元等。

在過去的20年時間里，在深海技術方面俄羅斯一直處于領先地位。1987年，前蘇聯和芬蘭合作一起研發了兩艘6000m深海載人潛器“MIR1”和“MIR2”，這兩艘深海載人潛艇續航能力高達17-20個小時，同時配有先進的取樣設備、機械手和傳感器。在這十幾年中，在印度洋、大西洋和太平洋等海域進行了上百次的科學考察。近幾年，俄羅斯和法國合作，準備利用現有的兩艘載人潛器“MIR1”和“MIR2”以及法國制造的6000m載人潛器“NAUTAIL”并帶一個小型無人潛器（ROV），對“Titanic”號沉船進行考察，2001年7月份將開始現場考察工作。除此之外，俄羅斯也具有相：當的優勢在無人潛器方面，同我國的兩次合作，研制出兩艘6000m自治水下機器人——“CR01"和“CRO2”[4]。

2.2 國內

從70年代起，我國就開始了較大規模地開展潛水器研制工作，多年來，先后研制成功以援潛救生為主的7103艇（有纜有人）、I型救生鐘（有纜有人）、QSZ單人常壓潛水器（有纜有人）、8A4水下機器人ROV（有纜無人）和軍民兩用的HR-01ROV，RECONIVROV及CR-01A6000m水下機器人AUV（無人無纜）等，這使我國的潛水器研制水平達到了國際先進水平。

從1983年開始，沈陽自動化研究所就開始研究“HY-01”型的有纜觀測型水下機器人?！癏Y-01”型的有纜觀測型水下機器人是一種純觀測型水下機器人，沒有機械手操作系統，它只能用于水下觀察。隨后研發出來的“HR-01”和“HY-01”型號的水下機器人，已經可以完成簡單的水下操作。沈陽自動化研究所還與美國Perry公司合作，目前生產的中型潛水器ECON-IVSIA已經可以達到國際標準。

90年代我國借助俄羅斯的有關技術力量設計出“CR-01A”6000m無人無纜遙控潛水器AUV，于1995年10月成功在夏威夷附近海域地下潛到了5300m的水深。不僅拍攝到了海底錳結核礦的分布情況，還獲得了清晰的海底照片、錄像以及聲納淺剖圖，給我國科學家的研究收集到了大量的珍貴數據?！癈R-01A”6000m無人無纜遙控潛水器AUV的下潛成功，使我國能夠對海溝以外的占世界海洋面積的97%的大洋海底進行精確、高效、全覆蓋地觀察、測量、儲存和進行實時傳輸，同時可以幫助我們精確的繪出深海礦區的二維和三維海底地形地貌圖，還建立了以文件庫、資源庫和環境庫組成的“大洋礦產資源研究開發數據庫”，大大縮短了我國發展海洋技術的時間，在無人無纜自治水下機器人領域里，“CR-01A”6000m無人無纜遙控潛水器AUV的下潛成功意味著我國向前跨進了一大步，同時也表明我國成為了除美、法、俄、日等國之外，能研制6000m深潛器的國家之一。

3? 一種新型的水下機器人結構特點

本次擬研究的水下機器人整體外形呈流線型，這樣的好處就是在水中可以減少水的阻力，減小與水的接觸面積，從而可以保持機器人在水中的穩定性，解決了許多水下機器人在水中遇到水流的推動時無法保持穩定甚至會翻滾的現象。

本組設計的水下機器人共分為五部分。第一部分也就是上半部分內部是空的，上面設置了可控制的閥門口，這樣就可以通過控制閥門的打開關閉從而機器人的灌水和排水來控制其上升和下潛。最下面的部分即第五部分，采用了和第一部分相同的概念，也是內部中空由閥門控制水流的進出。在第一部分和第五部分中，本小組還設置了兩個可以存放化學物品的隔間，這樣就可以控制隔間打開是化學物品反應從而產生氣體將水排出。

第二部分是本組設計放置單片機和一些控制電路的部分，這類精密的儀器都是非常容易受損的，而且在水下一旦機器人的密封性不好導致水流進入這一部分使儀器進水，很有可能使整個水下機器人報廢，所以密封性就特別重要。對于這一部分，本小組經過討論決定使用O型密封圈來這部分進行密封。從O形密封圈的形狀上看，制作工藝相比較而言是簡單的。首先是設計和制模都相對簡單，起膜容易，裝取方便，它如果壞了我們可以很容易發現，彈性好，有適當的機械強度。當受到介質的影響后，不容易發生機械強度的變化。吸振性好，摩擦因數小，密封不受動力影響，與金屬接觸不相互作用（如黏著，腐蝕等），價格較為便宜[5]，所以本組經討論決定采用O型密封圈進行密封。這就解決了許多水下機器人密封性不好的問題。

第三部分是幾個水質探頭的存放部分，設計較大的空間來存放pH探頭、濁度探頭等。

第四部分是本組設計了一個通孔，通孔的兩邊也是通過可控制的閥門來將其打開或關閉。在這個通孔里面，本小組放置了一個圓形被動采樣器并通過上下設計的凹槽將其固定，這樣當機器人放置于要檢測水中微生物的地點時，閥門打開，水從通孔中流過，圓形被動采樣器就將水中微生物采集成功。這樣就不用水下機器人自主采樣了。在通孔的上方，斜著插入的四個水質檢測裝置的探頭在這里伸出，四個檢測探頭分別為：水質溶氧探頭、電導率探頭、濁度探頭和pH探頭。將這四個探頭斜者插入通孔上方，就可以在機器人放入指定位置打開閥門通過水流時，檢測出被測地點的水質情況。斜著插入是為了減小水下機器人的整體高度，因為幾個探頭的長度都不小，如果是豎直放置或者水平放置，都會使機器人過長或過高，所以經討論本組決定傾斜放置探頭。

普通的水下機器人一般采用螺旋槳產生主推進力，通過舵面來控制自身的姿態，這種推動方式雖說也比較的方便和實用，但是也存在著一些問題。例如，這種動力驅動方式和姿態調控途徑很難使水下機器人在低速、大攻角機動航行時實現復雜的運動，且螺旋槳工作時的噪音還會在一定程度上降低水下機器人航行時的隱蔽性[6]。所以本組經商量后決定采用一種新型的噴水推進的方式。噴水推進是一種特殊的推進方式，它是通過利用噴水推進裝置中噴水泵噴出的高速水流從而產生反作用力來推動水中載體的運動，并通過操舵導航機構或者直接改變噴口方向從而改變產生反作用力的方向來實現控制水中載體的運動方向，所以與螺旋槳推動相比，噴水推進具有推進和操縱的雙重功能[7]。

這款水下機器人的優點是體積小，方便人們將其帶到指定河流處;節省能源，本組設計的多個可控制的閥門，通過控制水流的進出以達到使機器人上升或者下潛，減少推動裝置消耗的能源;可以定點放置，可以通過控制其上升下潛以及前后左右的移動從而達到定點檢測;檢測水質并采樣，被動采樣器和四個水質監測的探頭方便人們采集水中微生物和檢測水質。移動更加靈活，采用噴水推進的方式使得機器人的移動更加靈活和便于操控。

4? 水下機器人的未來發展

未來水下機器人主要會向更深和更智能兩個方面發展。

向深度的探索一直是水下機器人的很重要一方面，海洋深處有著許多人類需要的資源，也有著人類目前還沒有發現的資源，所以向海洋深處的探索是未來水下機器人發展很重要的一個方面。

目前大部分水下機器人只能用于觀測和測量，沒有較強的工作能力和較高的智能水平。未來水下機器人將更多地依賴傳感器和人工智能，這樣水下機器人就可以根據內部信息和環境信息自主作業，而且是十分穩定的。未來水下機器人可以代替人類擔負起自動或半自動的決策任務在深水的環境里，它的作用是未來開發和探測海洋所無法忽視的。

現在，水下機器人仍需攻克的幾個重要問題，其中包括復雜海洋環境下實現水下機器人的穩定高精度控制，水下機器人的密封性問題、移動不便于控制問題以及無法自主采樣等問題。

除此之外，水下機器人仍然有一些關鍵的技術問題等待著人們去解決。未來，水下機器人的發展方向一定是遠程化和智能化。它未來的活動范圍將在250到5000公里的半徑內，這就需要有足夠的動力源去保障水下機器人的正常工作。在控制和處理系統中，采用圖像識別、人工智能技術、大容量的知識庫系統，以及提高信息處理能力和精密導航定位的隨感能力等。當這些問題都被人類解決了，那么水下機器人對人類所產生的作用絕對是無法想象的[8]。

參考文獻：

[1]王若蘭，巖明.國外水下機器人發展現狀[J].機器人情報，1991（3）：8-17.

[2]任福君，張嵐，王殿君，等.水下機器人的發展現狀[J].佳木斯大學學報（自然科學版），2000，18（4）：317-320.

[3]余雄，唐曉東.國內外幾種水下機器人的性能對比與分析[J].機器人技術與應用，1997（1）：18-21.

[4]邢志偉.復雜海洋環境下水下機器人控制問題研究[J].水下機器人技術研究室，2003.

[5]單麗鵑.O形橡膠密封圈的應用[J].機械工程師，2015（5）：187-188.

[6]鄧巖.新型噴水推進式水下機器人關鍵技術研究[D].北京理工大學，2015.

[7]王立祥.噴水推進及噴水推進泵[J].通用機械，2007（10）：12-15.

[8]彭學倫.水下機器人的研究現狀與發展趨勢[J].機器人技術與應用，2004（4）：43-47.