余明剛

摘 要：隨著陸地資源的占用率越來(lái)越高，人們逐漸把目光轉(zhuǎn)向了豐富的海洋資源，因此，各種海洋探測(cè)器、水下開(kāi)發(fā)工具等開(kāi)始層出不窮。其中，便攜式自主水下機(jī)器人可以有效的監(jiān)測(cè)水文環(huán)境，以及偵查水下的各種情況。由于便攜式自主水下機(jī)器人擁有體積小、成本不高等特點(diǎn)，所以得到了更多領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：便攜式自主水下機(jī)器人；重要意義；組成和運(yùn)用；控制系統(tǒng)研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）36-0156-02

Abstract： With the increasing rate of land resources occupation， people gradually turned their attention to the rich marine resources. Therefore， a variety of ocean detectors， underwater development tools and so on began to emerge in an endless stream. Among them， the portable autonomous underwater vehicle can effectively monitor the hydrological environment， as well as detect a variety of underwater conditions. Because the portable autonomous underwater vehicle has the characteristics of small size， low cost and so on， it has been used in more fields.

Keywords： portable autonomous underwater vehicle； significance； composition and application； study on control system

1 便攜式自主水下機(jī)器人的應(yīng)用意義研究

統(tǒng)計(jì)得知，海洋面積占地球總面積的70.8%，在廣闊的海洋空間里蘊(yùn)含了非常豐富的資源。其中包含了海洋能源，生物資源，以及海洋熱能和海洋礦物質(zhì)資源。隨著社會(huì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程越來(lái)越快，工業(yè)化水平不斷提升，人們對(duì)于可利用空間的需求也不再滿足于陸地空間了。同時(shí)，由于陸地可利用的空間相對(duì)來(lái)說(shuō)比較狹小，人們也逐漸加強(qiáng)對(duì)海洋空間的有效使用，并有了很多顯著的成效。便攜式自主水下機(jī)器人是進(jìn)行海洋探索和海洋地質(zhì)調(diào)查以及水下資源開(kāi)發(fā)的重要工具，有些情況下，可以說(shuō)是唯一的探測(cè)工具。由此可以看出來(lái)，便攜式自主水下機(jī)器人在進(jìn)行海洋開(kāi)發(fā)與利用的過(guò)程中非常關(guān)鍵，其重要程度不次于航天飛機(jī)在宇宙探索中的作用。

作為一種海洋地質(zhì)調(diào)查工具和運(yùn)載工具以及潛水設(shè)備，便攜式自主水下機(jī)器人在海洋資源利用方面的作用非常重要，是人類(lèi)社會(huì)向海洋世界邁進(jìn)的主要工具。很多情況下，便攜式自主水下機(jī)器人可以完成一般潛水技術(shù)或工具不可能完成的深度作業(yè)，能夠在更深的海洋環(huán)境下進(jìn)行綜合調(diào)查和研究，同時(shí)還能完成很多項(xiàng)探測(cè)活動(dòng)任務(wù)，是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)和工具。例如，在進(jìn)行海洋資源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，便攜式自主水下機(jī)器人可以在深海調(diào)查海洋資源、勘探海洋地質(zhì)情況、采集海底的生物樣本、拍攝海底的地形和地貌、對(duì)海底世界進(jìn)行繪圖、調(diào)查水文狀況、檢查和維修海底的石油管道和越洋電纜、以及檢測(cè)和維修海洋的石油平臺(tái)與工作站，等等。由此可見(jiàn)，便攜式自主水下機(jī)器人可以涉及很多領(lǐng)域，為海洋相關(guān)工作提供更多的便利和發(fā)展空間。

便攜式自主水下機(jī)器人是人們研究海洋世界、開(kāi)發(fā)海洋資源的重要工具，得到了世界上很多國(guó)家的重視和運(yùn)用。從便攜式自主水下機(jī)器人的發(fā)展來(lái)看，在未來(lái)，航程會(huì)更遠(yuǎn)、下潛深度會(huì)更深、機(jī)身體積會(huì)更小、功能也會(huì)越來(lái)越強(qiáng)，為海洋地質(zhì)調(diào)查工作和水下探測(cè)活動(dòng)等帶來(lái)更多的積極意義。在過(guò)去的十年之間，全世界對(duì)于水下機(jī)器人的研究計(jì)劃大約有六十多個(gè)，與此同時(shí)，還研究了大約兩百多個(gè)水下機(jī)器人，而便攜式自主水下機(jī)器人是重要且功能性很強(qiáng)的研究成果。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以及海洋工業(yè)的需求不斷提升，便攜式自主水下機(jī)器人也逐漸應(yīng)用于商業(yè)發(fā)展之中，這對(duì)于經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和資源的有效利用產(chǎn)生了重要影響。

2 便攜式自主水下機(jī)器人的組成和運(yùn)用分析

“十二五”期間，在國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的認(rèn)同下，我國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所為了切實(shí)滿足海洋地質(zhì)調(diào)查以及水下探測(cè)等活動(dòng)的需要，研究出了五十公斤級(jí)別的便攜式自主水下機(jī)器人產(chǎn)品樣機(jī)，并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。該便攜式自主水下機(jī)器人的外形呈魚(yú)雷狀流線型，重量為46.5千克，其長(zhǎng)度為1.7米，直徑是200毫米。與此同時(shí)，這個(gè)便攜式自主水下機(jī)器人的航速達(dá)到3kn～5kn，潛入海底的最大深度是100米，最大的航程為70千米。從這些技術(shù)指標(biāo)就可以看出來(lái)，這個(gè)便攜式自主水下機(jī)器人擁有速度快、靈敏度高等特定，并且研制成本不高，不僅滿足了工程化的發(fā)展需求，同時(shí)還能減少財(cái)力物力成本，為海洋地質(zhì)調(diào)查等相關(guān)工作的順利進(jìn)行提供積極作用，是我國(guó)進(jìn)行海洋探測(cè)的重要手段。

便攜式自主水下機(jī)器人的系統(tǒng)是由水面支持系統(tǒng)和水下航行載體兩部分組成的。一方面，水面支持系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)處理軟件和便攜式控制箱構(gòu)成的，主要的工作內(nèi)容是使命程序的生成和仿真以及下載。與此同時(shí)，水面支持系統(tǒng)還要分析已經(jīng)獲得的水下載體的狀態(tài)信息，屬于一種人機(jī)交互的平臺(tái)。另一方面，水下航行載體的主要負(fù)責(zé)內(nèi)容是將海洋環(huán)境探測(cè)和水下觀測(cè)工作有效完成。水下航行載體是由控制系統(tǒng)和載體系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及能源系統(tǒng)等構(gòu)成的。其中，載體系統(tǒng)的推進(jìn)器設(shè)計(jì)方式是主推進(jìn)器和X形舵，四個(gè)舵頁(yè)自己進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)不同形式的組合方式，來(lái)完成載體的俯仰控制和轉(zhuǎn)艏控制。與此同時(shí)，為了使載體可以有效的完成前進(jìn)和后退活動(dòng)，主推進(jìn)器可以進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，很好的提升了作業(yè)效率。通常情況下，載體控制系統(tǒng)采取的分布式結(jié)構(gòu)是多種通信方式，主要的控制節(jié)點(diǎn)可以使用Linux多任務(wù)操作的系統(tǒng)，Linux是一個(gè)性能比較穩(wěn)定且用戶很多的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，采取Linux系統(tǒng)可以節(jié)省作業(yè)時(shí)間。同時(shí)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)由多普勒計(jì)程儀和電子羅盤(pán)以及機(jī)身上安裝的全球定位系統(tǒng)組合而成的導(dǎo)航系統(tǒng)。此外，為了更加有效的調(diào)查海洋地質(zhì)情況和觀察海洋環(huán)境以及開(kāi)發(fā)利用海洋資源等等，便攜式自主水下機(jī)器人的載體上還要安裝溫鹽深測(cè)量?jī)x和側(cè)掃聲吶組合而成的水下觀察系統(tǒng)。最后，便攜式自主水下機(jī)器人的載體上的能源系統(tǒng)還要使用鋰離子電池組，根據(jù)每次工作的內(nèi)容可以安裝不同容量的電池，可以使用一次電池或者二次電池。綜上所述，這就是便攜式自主水下機(jī)器人系統(tǒng)的組成內(nèi)容研究和應(yīng)用方法的分析。

3 便攜式自主水下機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

一方面，便攜式自主水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要采取了分布式結(jié)構(gòu)，其中包含了水面支持部分、控制主體部分、通信設(shè)施部分、數(shù)據(jù)采集應(yīng)用設(shè)備、電源的管理模塊以及推進(jìn)系統(tǒng)模塊。其中，水下載體和水面支持部分二者之間是通過(guò)四種溝通方式進(jìn)行通信的，包括銥星和無(wú)線電以及無(wú)線網(wǎng)橋與臍帶電纜。首先，銥星的傳播距離比較遠(yuǎn)，覆蓋范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)也很大。但是，銥星的傳播數(shù)據(jù)量不多，還有數(shù)據(jù)延遲的情況出現(xiàn)。所以，只能在應(yīng)急的情況下使用銥星，或者是航行結(jié)束后使用銥星定時(shí)傳播導(dǎo)航的定位數(shù)據(jù)。其次，無(wú)線電的數(shù)據(jù)延遲比較小，但是它的傳播距離不長(zhǎng)，只能用來(lái)完成傳播實(shí)時(shí)遙控指令的工作。再次，無(wú)限網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)傳輸量很大，而且數(shù)據(jù)信息真實(shí)可靠。不過(guò)，無(wú)線網(wǎng)橋的數(shù)據(jù)傳輸距離更短，根據(jù)這些特點(diǎn)可以完成使命文件下載工作或者測(cè)量的數(shù)據(jù)上傳工作。最后，臍帶電纜的數(shù)據(jù)傳播量非常大，還沒(méi)有數(shù)據(jù)延遲的現(xiàn)象發(fā)生，傳播信號(hào)穩(wěn)定，非常適合在岸上進(jìn)行調(diào)試工作。這四種溝通方式各具優(yōu)勢(shì)和不足之處，可據(jù)他們自身的特點(diǎn)來(lái)選擇適當(dāng)工作內(nèi)容，極大的提升了控制系統(tǒng)的工作水平，增強(qiáng)其科學(xué)性與合理性，從而有效的提高了便攜式自主水下機(jī)器人的作業(yè)效率與質(zhì)量。

另一方面，便攜式自主水下機(jī)器人按照功能劃分的話，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為兩部分，一部分是由主控計(jì)算機(jī)完成的航行器自己的平臺(tái)控制工作。另一方面主要是進(jìn)行采集觀察到的數(shù)據(jù)，由測(cè)量計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)完成，二者之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的方式進(jìn)行聯(lián)系。這種機(jī)構(gòu)模式有利于實(shí)現(xiàn)功能模塊獨(dú)立化的作業(yè)目標(biāo)，減少彼此帶來(lái)的影響，有利于更好的擴(kuò)展監(jiān)測(cè)設(shè)備。與此同時(shí)，使用以太網(wǎng)通信，可以方便內(nèi)部計(jì)算機(jī)連接外部設(shè)備，為工作人員的調(diào)試工作帶來(lái)了很大的便利。為了使整個(gè)系統(tǒng)在硬件上做到密切連接，主控計(jì)算機(jī)可以使用PC104總線的嵌入式系統(tǒng)，并通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線和電源管理部分以及推進(jìn)系統(tǒng)部分之間進(jìn)行通信。這種通信方法不僅可以提高通信的可靠性，還能有效的減少通信的線纜數(shù)量。一般情況下，主控計(jì)算機(jī)與導(dǎo)航傳感器之間的距離比較近，而且傳播的數(shù)據(jù)量少，所以會(huì)使用串口通信方式。與此同時(shí)，控制器內(nèi)部會(huì)單獨(dú)控制各個(gè)用電設(shè)施，以此降低便攜式自主水下機(jī)器人的功能消耗量。測(cè)量計(jì)算機(jī)會(huì)使用耗能較低的處理器，能夠在便攜式自主水下機(jī)器人航行時(shí)實(shí)時(shí)記錄觀察到的數(shù)據(jù)，并在工作結(jié)束后，對(duì)上傳到水面支持系統(tǒng)中的觀察數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在陸地資源的日益減少的情況下，占地球表面積71%并擁有豐富資源的海洋空間得到了人們的關(guān)注。為了更有效的探測(cè)海底資源，人們研究出很多海洋地質(zhì)調(diào)查和水下探測(cè)以及水下資源開(kāi)發(fā)的工具。其中，便攜式自主水下機(jī)器人是一種幫助人們探索海洋世界的重要工具，也得到了人們極大認(rèn)可和重視。便攜式自主水下機(jī)器人有效的實(shí)現(xiàn)了模塊化目標(biāo)，操作起來(lái)比較容易，同時(shí)它的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)還比較小，在海洋地質(zhì)調(diào)查工作中和水文環(huán)境調(diào)查以及海洋資源開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了很大的作用。便攜式自主水下機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中擁有一定可靠性的控制系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在便于理解、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)，這也是在未來(lái)發(fā)展中人們更要完善的作業(yè)目標(biāo)。由此可見(jiàn)，便攜式自主水下機(jī)器人是一種技術(shù)含量高且便捷的主要海洋勘測(cè)工具，有效的應(yīng)用能夠?yàn)橘Y源的有效利用和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展提供了重要作用。

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