水下無人機原理介紹

　　水下無人機是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務的裝置。在上世紀70年代，水下無人機得到了很大發(fā)展，開發(fā)出了一批能工作在各種不同深度、進行多種作業(yè)的機器人，可用于石油開采、海底礦藏調查、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和檢查、海上養(yǎng)殖及江河水庫的大壩檢查等領域。

　　水下無人機分類

　　水下無人機UUV，Unmanned Underwater Vehicle可分為三大類：一類是有纜水下無人機，習慣稱拖曳式水下無人機（Towing Underwater Vehicle，簡稱TUV），一類是遙控潛器（Remote Operated Vehicle，簡稱ROV）;另一類是無纜水下無人機，習慣稱為自治式水下潛器（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV）。從第一代上世紀60年代的有人深潛器開始，迄今已經(jīng)過了ROV（70年代）、AUV（80年代）和混合類型的第四代（Hybrid Vehicles）的演進。

　　水下無人機控制問題

　　水下無人機是在水中運動的具有六個自由度的剛體，它本身就是一個強耦合的非線性系統(tǒng);由于在水中運動，水動力（阻力）系數(shù)和運動速度的平方成比例;采用螺旋槳推進，推力和螺旋漿轉速平方成正比。這一切使得控制問題變得很困難，特別是要求在定點進行作業(yè)時，上述原因造成在零速時的“零增益、零阻尼”現(xiàn)象，使得動力定位控制系統(tǒng)的剛度很難滿足定點作業(yè)的要求。這是一個有待研究的問題。 圖3是兩種水下無人機的控制原理。

　　水下無人機的本體

　　潛水器：潛水器是攜帶觀察和作業(yè)工具設備的運動載體。在開式框架結構件上方的浮力塊，保證潛水器全負荷時水中浮力基本為零；在水平、側向和垂直方向都裝有推進器，從而可實現(xiàn)三維空間的運動。框架前部或必要的地方安置云臺，在其上裝有電視攝像機和照明燈。常規(guī)的傳感器包括：成像聲納、羅盤、深度壓力傳感器、高度計等。水下電子單元包括：水下計算機、驅動器、控制模塊，安裝在常壓的密封倉內。系統(tǒng)監(jiān)視所需要的傳感元件包括： 動力、壓力、溫度、漏水等。

　　中繼器：為了能迅速、準確地將潛水器送到預定工作水深和較快地收回到水面，同時為了減弱母船搖擺及臍纜所受海流阻力給潛水器運動和作業(yè)帶來的附加阻力、干擾和影響，一般有纜遙控水下無人機配置中繼器。中繼器內儲存系纜，并裝有系纜驅動收放機構，潛水器非工作狀態(tài)時將與中繼器聯(lián)鎖在一起。

　　吊放系統(tǒng)：用以投放、回收中繼器和潛水器。吊放系統(tǒng)通常采用門形結構、液壓驅動，并設有消擺機構和臍帶電纜的儲存。

　　系纜：用于潛水器和中繼器之間機械軟連接及能源饋送和信息傳輸。系纜套穿浮力材料以使其在水中為零浮力，從而減小水流阻力對本體的干擾。

　　皚裝主纜：在吊放架與中繼器之間完成機械軟連接、能源輸送、信息傳輸?shù)淖饔谩Ｋ卿摻z皚裝結構，以便同時起到吊放鋼纜的作用，

　　觀察作業(yè)設備：在運動載體上安裝攝像機、成像聲納，構成載體的基本系統(tǒng)。在需要作業(yè)時，可再加裝1—2水下機械手和多種水下作業(yè)工具。

　　水下無人機的通信問題

　　和通信直接相關的有兩個系統(tǒng)：監(jiān)視系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。前者主要指用于水下無人機水下搜索和水下觀察的設備，一般包括有水下攝像機、云臺及照明、成像聲納、聲學和磁學定位系統(tǒng)等。后者主要指介入水下無人機運動控制和保障系統(tǒng)正常運行所需要的傳感設備，一般包括有深度計、高度計、方向羅盤、溫度、壓力、電壓電流等，這些可以通過傳感器采集，并通過有線或無線方式進行信息傳輸。然而目前水下通信的僅有手段是水聲和光纖。目前從國內外的情況來看，水聲的可靠通信速率為1200波特率。通信時延取決于水聲在水中來回一次所耗費的時間，水深為6000米時，傳輸時間就是8秒。傳輸?shù)木嚯x取決于使用的載波頻率及發(fā)射的功率，對水下無人機來說，這兩者都受到了很大的限制。通信時延是一個本質上不能克服的問題，因此如何在功率限制的情況下，提高通信的距離將是一個主要問題，目前通信距離僅十公里。隨著通信距離的增大，AUV的作業(yè)范圍也可隨之增大。利用水聲信息實現(xiàn)監(jiān)控，必須克服傳輸時延所帶來的困難。右圖為一個水聽器實例子。

　　水聽器系統(tǒng)水聽器系統(tǒng)是一種被動聲學系統(tǒng)，使用四個RESON TC4013模塊和一個ADI公司SHARC-21369用來確定相對方向的水下聲波發(fā)射器。它具有在20-35之間kHz范圍內的多個水下聲波發(fā)射器鑒別能力，但只能傾聽和跟蹤一個選擇的頻率。水聽器為計算機和海拔信息提供精確度±1的信息，這個信息在導航到聲波發(fā)射器的任務中用到。

　　光纖一般用于帶纜的水下無人機TUV、ROV，由光端機（水面）﹑水下光端機﹑光纜 組成。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)率高（100Mbit/s）， 很好的抗干擾能力。缺點，限制了水下無人機的工作距離和可操縱性。

　　水下激光通訊使用海水介質吸收率最小的藍綠激光，已達100米深的海空通訊距離，但尚處于試驗階段，功耗和體積較大，效率低，實用性有待提高。

　　水下無人機的能源問題

　　能源問題一直是限制AUV作業(yè)范圍的主要因素，研究開發(fā)比能率高的能源是一個長期努力的方向。在可以預見的將來，然料電池是一種可供選擇的方案。未來可能用可變半衰期的核燃料的電池。在這些問題解決之前，可以利用前述回收裝置作為中繼站，進行水下充電，這樣就可以利用兩臺AUV交替充電，實現(xiàn)水下無限期的作業(yè)。當然這樣并不能解決AUV的大范圍工作問題。以下是ROV和AUV對能源的不同要求。

　　ROV水下無人機供電電壓通常與水下無人機的功率和工作深度有關。隨著深度的增加，高電壓的動力輸送和動力設備是必須具備的。為了減少臍帶電纜的尺寸和重量，將來ROV會采用更高的電壓等級。這些都將由水面提供交流電動力，一般中小型水下無人機采用220V，50～60Hz單相交流電供電，大型水下無人機多用3000v以上的三相交流電向水下載體供電。

　　AUV自身攜帶電池，早期多采用密封的鉛酸電池，現(xiàn)在多采用高比能的銀鋅電池等。

　　水下無人機發(fā)展前景及問題分析

　　新一代水下無人機的發(fā)展日趨混合化，結合ROV和AUV的優(yōu)點，如ROV要求一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用大容量計算機，實施處理資料和進行數(shù)字控制；三是潛水器上的機械手采用多功能，力反饋監(jiān)控系統(tǒng)：四是增加推進器的數(shù)量與功率，以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力，而AUV除以上共性特點還要不斷提高其自治能力和生存能力，避免丟失這一無纜深潛器所面臨的最大問題。從關鍵技術的發(fā)展上我們可以分述如下：

　　①能源技術質子交換膜燃料電池具有水下無人機的動力裝置所需的性能。該電池的特點是能量密度大、高效產生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關閉［9］。該電池技術難點是合適的安靜泵、氣體管路布置、散熱、固態(tài)電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲。

　　②精確定位技術 目前水下無人機在水上采用GPS，水下定位采用聲學定位設備。水下GPS技術目前正在迅速地發(fā)展，自治導航的精度預計將在5年內提高10倍。

　　③零可見度導航技術 混水作業(yè)一直是水下無人機應用的最大障礙，利用聲學、激光技術以及計算機圖形增強技術，將使這個難題得到解決。

　　④材料技術 在水中每增加10m的水深，外界壓力將增加1個大氣壓 （0.1MPa）。高強度、輕質、耐腐蝕的結構材料和浮力材料是水下無人機重點發(fā)展的技術問題。

　　⑤作業(yè)技術 水下無人機的發(fā)展目標是代替人完成各種水下作業(yè)。柔性水下機械手、專用水下作業(yè)工具以及臨場感、虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，將便水下無人機在海洋開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

　　⑥聲學技術 被稱為聲學技術革命的最新的 “矢量換能技術”，可使自主水下無人機的跟蹤距離達到100km以上。低頻水聲通訊技術可使在水下的通訊距離達到1000km以上，圖像的水下傳輸距離可達20km以上。水聲技術的發(fā)展將使水下無人機真正具有“千里耳”。

　　⑦智能技術 機器具有與人相同的智能或超過人的智能是科幻電影的事情，從目前機器智能的發(fā)展程度看還需有較長的路要走。由人參與或半自主的水下無人機是解決目前復雜的水下作業(yè)的現(xiàn)實辦法。

　　⑧回收技術 水下無人機的吊放回收作業(yè)一般是在海面附近進行，所以常受海況條件的限制而成為影響水下無人機水下作業(yè)的主要因素。