一种用于水质勘测的水下机器人研究

李俊杰

摘要：进入经济飞速发展21世纪，资源的紧缺让人们把目光投入到占全球面积70%海洋上面。本文章先是简单的介绍了水下机器人的发展历史和现在国内外的研究情况，然后本文提出了可用于水质勘测的一种新型水下机器人的结构形式，并且概述本研究所针对的问题，和设计的解决方案，最后分析了水下机器人未来的发展趋势和发展方向。

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.

關键词：水下机器人;结构设计;国内外发展;水下机器人未来发展

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

中图分类号：TP242                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）04-0213-03

0  引言

现如今，海洋作为能源蕴含最丰富的地方，吸引了世界各国的科学家的注意。而水下机器人能够解决人类无法进入深水区和无法探测水下物质和能源等问题，成为了许多人特别重视的机器人。但是，水下机器人的定点采集微生物和探测水质和能源依旧是人们所面临的困难，因此本文对此问题进行分析和研究。

1  水下机器人发展历史

在如今社会，人类面临着环境、人口和资源这三大问题。当今世界的经济正在飞速的发展，所以人类对于资源的需求就越来越大。而对仅占地球表面积不足百分之三十的陆地来说，资源是远远不够人类使用的，所以人类就把目光投入到海洋上面了。

海洋面积约为3.6亿平方公里，占地球表面积的百分之七十一。在海洋中，有着极其丰富的矿产资源生物资源和化学资源，其中的石油、煤、铜以及氯钠等元素都是非常重要并且对于人类来说是需要的。因此，对于海洋的探测就显得尤为的重要，水下机器人的作用就由此可见了。

从19世纪开始，人类就开始了对于海洋的探索，到了20世纪，水下机器人经历了诞生、发展、到成为人类探索海洋的重要手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为世界资源最丰富的地方，受到了各个国家的争夺，而作为探测海洋最重要的手段，水下机器人技术发展的更加迅速和成熟。

2  水下机器人国内外现状

2.1 国外

从20年代起，国外就对潜水器的研制就开始了，持续到60年代，主要是为了向深度发起挑战。在1934年，美国研发的潜水器潜入到了914m的水深，到了1960年，人类第一次下潜到了海洋最深处10913m，即太平洋马里亚纳海沟。

由美国国际潜水器工程公司制造的自主式遥控潜水器[1-3]（ARSC）是专门为在北冰洋冰层下进行探测的水下机器人。该潜水器可以在水深366m的海洋里停留多达23个小时，航行速度9.25公里/小时，它可以在一个预先编好程序的航路上探测5平方公里海底区域[1]通过利用5个独立的声呐系统和潜水器内的计算机。

英国DUPLUS公司1987年研制成了一种新型水下机器人——DUPLUSⅡ型水下机器人。它的优点是可按有人、无人或有人加遥控等工作方式来使用。DUPLUSⅡ型水下机器人的作业深度为750m，在载人时，因为水下视觉更加直观，所以在水下观察、摄影以及水下机动作业都十分方便[2]。英国HYDROVISION有限公司于90年代开发研制的最新产品HYBALL水下机器人，它具有操纵方便、成本低、性能先进可靠、保养维修简单、功能齐全等优点。HYBALL水下机器人完全由水面控制单元内的计算机控制，操作员可控制机器人前进、后退、侧推、上升或下潜通过在水面上使用操纵杆[3]。

英国Heriot-Watt大学电子工程系做了大量卓有成效的工作在无缆水下机器人方面，1981年完成第一个水下机器人ANGUS 003，以后有将其发展成为ANGUS-ROVER穿梭式系统，是一种自主水下机器人。此系统还尝试了应用人工智能，包括控制智能单元以及测试智能单元等。

在过去的20年时间里，在深海技术方面俄罗斯一直处于领先地位。1987年，前苏联和芬兰合作一起研发了两艘6000m深海载人潜器“MIR1”和“MIR2”，这两艘深海载人潜艇续航能力高达17-20个小时，同时配有先进的取样设备、机械手和传感器。在这十几年中，在印度洋、大西洋和太平洋等海域进行了上百次的科学考察。近几年，俄罗斯和法国合作，准备利用现有的两艘载人潜器“MIR1”和“MIR2”以及法国制造的6000m载人潜器“NAUTAIL”并带一个小型无人潜器（ROV），对“Titanic”号沉船进行考察，2001年7月份将开始现场考察工作。除此之外，俄罗斯也具有相：当的优势在无人潜器方面，同我国的两次合作，研制出两艘6000m自治水下机器人——“CR01"和“CRO2”[4]。

2.2 国内

从70年代起，我国就开始了较大规模地开展潜水器研制工作，多年来，先后研制成功以援潜救生为主的7103艇（有缆有人）、I型救生钟（有缆有人）、QSZ单人常压潜水器（有缆有人）、8A4水下机器人ROV（有缆无人）和军民两用的HR-01ROV，RECONIVROV及CR-01A6000m水下机器人AUV（无人无缆）等，这使我国的潜水器研制水平达到了国际先进水平。

从1983年开始，沈阳自动化研究所就开始研究“HY-01”型的有缆观测型水下机器人。“HY-01”型的有缆观测型水下机器人是一种纯观测型水下机器人，没有机械手操作系统，它只能用于水下观察。随后研发出来的“HR-01”和“HY-01”型号的水下机器人，已经可以完成簡单的水下操作。沈阳自动化研究所还与美国Perry公司合作，目前生产的中型潜水器ECON-IVSIA已经可以达到国际标准。

90年代我国借助俄罗斯的有关技术力量设计出“CR-01A”6000m无人无缆遥控潜水器AUV，于1995年10月成功在夏威夷附近海域地下潜到了5300m的水深。不仅拍摄到了海底锰结核矿的分布情况，还获得了清晰的海底照片、录像以及声纳浅剖图，给我国科学家的研究收集到了大量的珍贵数据。“CR-01A”6000m无人无缆遥控潜水器AUV的下潜成功，使我国能够对海沟以外的占世界海洋面积的97%的大洋海底进行精确、高效、全覆盖地观察、测量、储存和进行实时传输，同时可以帮助我们精确的绘出深海矿区的二维和三维海底地形地貌图，还建立了以文件库、资源库和环境库组成的“大洋矿产资源研究开发数据库”，大大缩短了我国发展海洋技术的时间，在无人无缆自治水下机器人领域里，“CR-01A”6000m无人无缆遥控潜水器AUV的下潜成功意味着我国向前跨进了一大步，同时也表明我国成为了除美、法、俄、日等国之外，能研制6000m深潜器的国家之一。

3  一种新型的水下机器人结构特点

本次拟研究的水下机器人整体外形呈流线型，这样的好处就是在水中可以减少水的阻力，减小与水的接触面积，从而可以保持机器人在水中的稳定性，解决了许多水下机器人在水中遇到水流的推动时无法保持稳定甚至会翻滚的现象。

本组设计的水下机器人共分为五部分。第一部分也就是上半部分内部是空的，上面设置了可控制的阀门口，这样就可以通过控制阀门的打开关闭从而机器人的灌水和排水来控制其上升和下潜。最下面的部分即第五部分，采用了和第一部分相同的概念，也是内部中空由阀门控制水流的进出。在第一部分和第五部分中，本小组还设置了两个可以存放化学物品的隔间，这样就可以控制隔间打开是化学物品反应从而产生气体将水排出。

第二部分是本组设计放置单片机和一些控制电路的部分，这类精密的仪器都是非常容易受损的，而且在水下一旦机器人的密封性不好导致水流进入这一部分使仪器进水，很有可能使整个水下机器人报废，所以密封性就特别重要。对于这一部分，本小组经过讨论决定使用O型密封圈来这部分进行密封。从O形密封圈的形状上看，制作工艺相比较而言是简单的。首先是设计和制模都相对简单，起膜容易，装取方便，它如果坏了我们可以很容易发现，弹性好，有适当的机械强度。当受到介质的影响后，不容易发生机械强度的变化。吸振性好，摩擦因数小，密封不受动力影响，与金属接触不相互作用（如黏着，腐蚀等），价格较为便宜[5]，所以本组经讨论决定采用O型密封圈进行密封。这就解决了许多水下机器人密封性不好的问题。

第三部分是几个水质探头的存放部分，设计较大的空间来存放pH探头、浊度探头等。

第四部分是本组设计了一个通孔，通孔的两边也是通过可控制的阀门来将其打开或关闭。在这个通孔里面，本小组放置了一个圆形被动采样器并通过上下设计的凹槽将其固定，这样当机器人放置于要检测水中微生物的地点时，阀门打开，水从通孔中流过，圆形被动采样器就将水中微生物采集成功。这样就不用水下机器人自主采样了。在通孔的上方，斜着插入的四个水质检测装置的探头在这里伸出，四个检测探头分别为：水质溶氧探头、电导率探头、浊度探头和pH探头。将这四个探头斜者插入通孔上方，就可以在机器人放入指定位置打开阀门通过水流时，检测出被测地点的水质情况。斜着插入是为了减小水下机器人的整体高度，因为几个探头的长度都不小，如果是竖直放置或者水平放置，都会使机器人过长或过高，所以经讨论本组决定倾斜放置探头。

普通的水下机器人一般采用螺旋桨产生主推进力，通过舵面来控制自身的姿态，这种推动方式虽说也比较的方便和实用，但是也存在着一些问题。例如，这种动力驱动方式和姿态调控途径很难使水下机器人在低速、大攻角机动航行时实现复杂的运动，且螺旋桨工作时的噪音还会在一定程度上降低水下机器人航行时的隐蔽性[6]。所以本组经商量后决定采用一种新型的喷水推进的方式。喷水推进是一种特殊的推进方式，它是通过利用喷水推进装置中喷水泵喷出的高速水流从而产生反作用力来推动水中载体的运动，并通过操舵导航机构或者直接改变喷口方向从而改变产生反作用力的方向来实现控制水中载体的运动方向，所以与螺旋桨推动相比，喷水推进具有推进和操纵的双重功能[7]。

这款水下机器人的优点是体积小，方便人们将其带到指定河流处;节省能源，本组设计的多个可控制的阀门，通过控制水流的进出以达到使机器人上升或者下潜，减少推动装置消耗的能源;可以定点放置，可以通过控制其上升下潜以及前后左右的移动从而达到定点检测;检测水质并采样，被动采样器和四个水质监测的探头方便人们采集水中微生物和检测水质。移动更加灵活，采用喷水推进的方式使得机器人的移动更加灵活和便于操控。

4  水下机器人的未来发展

未来水下机器人主要会向更深和更智能两个方面发展。

向深度的探索一直是水下机器人的很重要一方面，海洋深处有着许多人类需要的资源，也有着人类目前还没有发现的资源，所以向海洋深处的探索是未来水下机器人发展很重要的一个方面。

目前大部分水下机器人只能用于观测和测量，没有较强的工作能力和较高的智能水平。未来水下机器人将更多地依赖传感器和人工智能，这样水下机器人就可以根据内部信息和环境信息自主作业，而且是十分稳定的。未来水下机器人可以代替人类担负起自动或半自动的决策任务在深水的环境里，它的作用是未来开发和探测海洋所无法忽视的。

现在，水下机器人仍需攻克的几个重要问题，其中包括复杂海洋环境下实现水下机器人的稳定高精度控制，水下机器人的密封性问题、移动不便于控制问题以及无法自主采样等问题。

除此之外，水下机器人仍然有一些关键的技术问题等待着人们去解决。未来，水下机器人的发展方向一定是远程化和智能化。它未来的活动范围将在250到5000公里的半径内，这就需要有足够的动力源去保障水下机器人的正常工作。在控制和处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密导航定位的随感能力等。当这些问题都被人类解决了，那么水下机器人对人类所产生的作用绝对是无法想象的[8]。

參考文献：

[1]王若兰，岩明.国外水下机器人发展现状[J].机器人情报，1991（3）：8-17.

[2]任福君，张岚，王殿君，等.水下机器人的发展现状[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2000，18（4）：317-320.

[3]余雄，唐晓东.国内外几种水下机器人的性能对比与分析[J].机器人技术与应用，1997（1）：18-21.

[4]邢志伟.复杂海洋环境下水下机器人控制问题研究[J].水下机器人技术研究室，2003.

[5]单丽鹃.O形橡胶密封圈的应用[J].机械工程师，2015（5）：187-188.

[6]邓岩.新型喷水推进式水下机器人关键技术研究[D].北京理工大学，2015.

[7]王立祥.喷水推进及喷水推进泵[J].通用机械，2007（10）：12-15.

[8]彭学伦.水下机器人的研究现状与发展趋势[J].机器人技术与应用，2004（4）：43-47.