下载文档原格式
海洋工程中水下机器人技术的创新与实践◎ 汤张硕涵 浙江大学摘 要：本文主要探讨了海洋工程中水下机器人技术的创新与实践。
水下机器人技术为海洋工程提供了诸多优势，如提高水下作业效率、实现自动化作业以及降低施工成本。
在应用过程中，关键技术包括水下机器人的规划、传感器技术、环境信息采集、导航控制技术以及遥控和自主模式的选择。
实践表明，水下机器人在海洋资源勘探、环境监测与保护以及辅助施工方面发挥了重要作用。
具体案例包括海底管道检测、海洋环境监测和应急救援以及海洋工程建设中的应用。
随着技术的不断进步，水下机器人技术将在海洋工程中发挥越来越重要的作用。
关键词：水下机器人技术；海洋工程；传感器技术；导航控制技术1.引言水下机器人是一种利用超声波传感器、声呐等仪器对水下的物体进行探测、定位和测量的设备，被广泛应用于海洋资源勘探、环境监测与保护、水下工程等领域，成为海洋工程建设和维护的重要技术手段之一。
水下机器人系统由感知系统、通信系统、执行机构等组成，其核心是传感系统，目前主要采用声呐探测技术、视觉探测技术和激光测距技术等。
声呐探测技术是一种被动感知设备，其探测深度较浅，而且需要一定的环境条件，如水深、流速等。
视觉探测技术可以将图像转化为数字信号，然后传输到控制系统，进行图像处理和信息融合。
激光测距技术通过测量目标物体与机器人之间的距离，来确定目标的位置、速度和运动轨迹等。
水下机器人技术为海洋资源勘探、环境监测与保护以及辅助施工提供了有力的技术手段，尤其在海底管道检测、水下工程建设及海洋环境监测与保护方面发挥了重要作用。
2.海洋工程中水下机器人技术应用的优势2.1提升水下工作效率在海洋工程中，水下作业的难度和危险性较大，而水下机器人的应用则能够显著提高水下作业的效率。
通过水下机器人，可以快速、准确地完成水下探测、定位、测量等任务，避免了传统水下作业中的人工操作，降低了作业难度，提高了工作效率。
2.2实现自动化作业水下机器人技术可以实现自动化作业，进一步提高了海洋工程的效率和精度。
序号装备类型装备名称主要用途1水面救援类防护类水域救援服身体防护2水域救援专业救生衣为救援人员提供浮力，具有快卸部件3水域救援头盔头部和颈部防护4水域救援手套手部防护5水域救援靴小腿部和足部防护6割绳刀快速切割或割除障碍物7高音哨哨声报警和沟通8防水照明灯水域救援作业照明9防水方位灯在黑暗环境中的位置标识10搜救类救生杆为被救人员提供支点11救生圈（球）用于快速抛投给被救人员建立浮力，其技术性能应符合GB/T 4302的要求12救生浮漂为被救人员提供支点13普通救生衣为被救人员提供浮力14水面救援机器人运送被救人员15呼吸面罩为被救人员提供氧气16水域救援抛绳包用于救援人员抛投，增加救援距离，进行拖拽作业17水域救援快速解脱牵引绳可与救援用救生衣的快脱装置配合使用，也可在水域救援中协助拖曳救生艇18水面漂浮救生绳用于水中救援牵引，拖拽被救人员19安全绳用于绳索系统救援，其技术性能应符合XF 494的要求20救生抛投器大跨度救援现场向被救人员抛投救绳索及救生圈等，其技术性能应符合GB/T 27906的要求21可漂浮救生担架被救人员固定及转运、吊运22充气式救援船（艇）、硬底式救援船（艇）运送救援人员与被救人员。
充气式救援船（艇）长度不小于3.8米23舟艇舷外机为救援船只提供动力24舟艇舷外机油箱配合船用外挂机使用提供燃料油25背负式高音扩音器用于救援现场搜索被困人员，发布救援指令26水下救援类防护类潜水气瓶储存高压气体，供潜水员水下呼吸使用27浮力调整器控制水底中性浮力，固定气瓶，连接配件水域应急救援装备物资配备参考清单装备类型装备名称主要用途28水下救援类防护类呼吸调节器将气瓶内的高压气体自动调节至潜水员所在深度相适应的压力，以供潜水员呼吸29全面镜保护潜水员免于呛水，保护眼睛免受水的刺激，并实现水下通话30蛙鞋提供水下前进动力31配重及其配重带增加潜水员的负浮力，帮助下浮32潜水头套头部防护和保温33湿式潜水服身体防护和保温34干式潜水服身体防护和保温35潜水靴足部防护36潜水手套手部防护和防寒保暖37潜水牵引绳直接连接潜水员与信绳员38水中照明灯提供水下照明39搜救类水下声呐对水下目标进行探测、定位和通信40潜水电脑表分析和记录潜水员水下作业情况以及水下深度、温度等变化情况41水下机器人进行水下侦查、水域搜索、水下打捞等作业42破拆类潜水刀用于紧急情况水下破拆43水下破拆工具组在水下进行结构破拆、切割、锚固等44通信类水下通信系统（1）无线通信系统实现水面以下的通信联络，掌握水下潜水员的情况，在需要时及时给予援助；（2）有线通信系统实现潜水员与信绳员的通信联络45冰面救援类防护类冰面救援服用于低温、寒冷条件下救援人员身体防护46干式水域救援服用于救援人员低温环境下穿着，具有防水保暖功能47水域救援头盔（冰域救援型）用于寒冷环境人员头部保暖，减少头部热量散失48水域救援手套（冰域救援型）用于手部防护和保暖，具有耐磨性，增加抓握摩擦力49水域救援靴（冰域救援型）用于小腿部和足部的防护和保暖，具有防滑、防穿刺功能50保温衣裤作为冰面救援服或干式水域救援服的保温内胆，提高御寒能力，延长水中作业时间51冰锥用于增加冰面行进过程中摩擦力，提高人员行动力52冰爪用于救援靴防滑辅助冰面行走，增加作业稳定性53冰镐用于帮助救援人员建立固定支点54搜救类冰面探杆用于行进时探测冰面厚度55冰面救援滑板用于冰面救援人员进行拖带滑行装备类型装备名称主要用途56冰面救援类搜救类充气式冰面救援筏用于冰面救援，人员无需脱离船体，直接进行拖拽施救57充气浮桥用于冰面救援，人员无需脱离船体，直接进行拖拽施救58 冰域救援绳索套装（包括水面漂浮绳、消防安全绳、辅绳、滑轮、安全钩、扁带）用于绳索系统救援，其技术性能应符合XF 494的要求59破拆类机动链锯用于救援人员快速切割扩大冰面作业面积60综合保障类水域救援车（1）运送救援装备；（2）在野外为气瓶充气，为潜水员提供气体支持61应急帐篷用于现场应急指挥与人员休息62集群对讲设备用于现场应急通信63 医疗急救箱（包括心脏外部除颤器、应急药品等）用于抢救心脏骤停人员。
水下机器人编辑水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。
水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
中文名水下机器人时间1953年性质水面设备属性水下运动和作业目录1发展历程▪第一阶段▪第二阶段▪第三阶段2结构功能3应用领域▪安全搜救▪管道检查▪科研教学▪水下娱乐▪能源产业▪考古▪渔业4优缺点▪优点▪缺点5国际发展▪美国▪日本▪欧洲▪中国1发展历程编辑第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器。
其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
[1]1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。
特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
第二阶段无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。
1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。
海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。
第三阶段1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。
80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出美国的鱼雷型机器人“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。
[2] 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。
[3]这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
海底管道和电缆为维持其自身安全和在位稳定性，免遭拖网渔具等的免遭损害，必须埋设到合理的深度。
海底开沟机是埋设海底管道和电缆的重要设备。
根据开沟成型方式，常用的开沟机技术主要有四种类型：机械开沟法、水利开沟法（喷冲式）、机械和水利结合开沟法、不开沟（管道自埋）进行海底管道埋设法。
根据开沟顺序分类，主要有三种，预开沟法：挖泥船开沟和爆破开挖；后开沟法：水力喷冲开沟机，机械式开沟机，开沟犁；同时开沟：开沟机或者开沟犁边挖边埋。
欧美国家在海底开沟方面研究较早，积累了大量的工程经验，已经形成丰富的开沟设备产业，主要有SMD 公司、IHC 公司、FORUMPerry 等。
我国在海底开沟设备方面起步晚，主要以简易的开沟犁和喷冲式开沟机为主，并且开沟机本身无动力，靠母船拖拽行走，适应水深有限，无法完成深水区域硬质海底的开沟任务。
随着海洋强国战略的推进，我国在海上油气管道和海底电缆铺设以及深海采矿等方面将迎来巨大的机遇和挑战。
海底开沟机的设计和作业需要大量的工程师经验。
张国光、顾林生等人对国外海底开沟机资料进行了调研和评价，并对海底管道开沟机的技术性和经济性做出了分析。
张新明、刘春光、张树森等人对比总结国内外目前常用的一些开国外深海多功能开沟机技术现状及进展株洲中车时代电气股份有限公司 张向阳 郭园园文搜集了目前国外最新的几款开沟机，分为ROV 型开沟机和重型开沟机两类，总结了海底多功能开沟机的研究现状，对海底开沟机设计、研究有重要的参考意义。
1 ROV型开沟机ROV 型开沟机，亦称埋缆ROV ，外形类似ROV 。
顶部有浮力材料，在水中重量轻，接地压强小，最大工作水深在1500m ～3000m ，在水中可以自由飞行，自动化程度高，适合在海底软粘度地区埋设电缆。
对海况要求较低，可以实现不连续作业。
英国土壤机械动力有限公司（SMD ）生产的QT 系列的多功能ROV 型开沟机，从QT300到QT2800均可以搭载多种作业工具包，例如，滑靴底座、射流工具、切割链（单链和多链）、切割盘、压缆器、切削疏浚、岩心钻取和勾缆器等。
基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统摘要：随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中发挥着越来越重要的作用。
ROV作为水下作业的重要工具，对运动控制算法要求较高，采用开源软件ArduSub，结合一种模糊串级PID控制算法实现ROV控制系统的设计，重点对ArduSub的特点、适应配置及PID控制算法原理，包含运动和姿态方面进行了阐述，能够良好实现ROV的水下控制。
1引言随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中发挥着越来越重要的作用。
其中ROV续航持久，成本相对较低，逐渐成为水下作业的重要工具。
ROV工作于水下环境，具有非线性、易受环境影响等特点，对运动控制算法要求较高，同时要求整个控制系统要有较好的实时性和可靠性。
2开源软件ArduSub简介ArduSub水下机器人的控制器是一个完整的开源解决方案，提供远程操作控制(通过智能潜水模式)和全自动的执行任务。
作为DroneCode软件平台的一部分，它能够无缝地使用地面控制站的软件，可以监控车辆遥测和执行强大的任务规划活动。
它还受益于DroneCode平台的其他部分，包括模拟器，日志分析工具，为车辆管理和控制和更高层次的api。
其主要特点在于以下几个方面：反馈控制和稳定性：ArduSub控制器基于多旋翼自动驾驶系统，具有精确的反馈控制，可主动维持方向。
深度保持：使用基于压力的深度传感器，ArduSub控制器可以将深度保持在几厘米内。
航向保持：默认情况下，ArduSub在未命令转动时自动保持其航向。
相机倾斜：通过操纵杆或游戏手柄控制器与伺服或万向节电机进行相机倾斜控制。
灯光控制：通过操纵杆或游戏手柄控制器控制海底照明。
无需编程：ArduSub控制器适用于各种ROV配置，无需任何自定义编程。
大多数参数可以通过地面控制站轻松更改。
兼容性好：ArduSub兼容许多不同的ROV框架，支持PWM输出。
水下机器人编辑水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。
水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
中文名水下机器人时间1953年性质水面设备属性水下运动和作业目录1发展历程▪第一阶段▪第二阶段▪第三阶段2结构功能3应用领域▪安全搜救▪管道检查▪科研教学▪水下娱乐▪能源产业▪考古▪渔业4优缺点▪优点▪缺点5国际发展▪美国▪日本▪欧洲▪中国1发展历程编辑第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器。
其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
[1]1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。
特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
第二阶段无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。
1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。
海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。
第三阶段1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。
80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出美国的鱼雷型机器人“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。
[2] 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。
[3]这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
编号：201209 —002密级：普通VROV操控训练仿真系统技术方案拟制单位：年月日拟制人：年月日审核: 年月日质量会签：年月日标准化：年月日批准: 年月日共11页北京曼宝科技发展有限公司2012年09 月目录1概述................................................................... 1…2系统简介............................................................... 2..2.1VROV 简介............................................................. 2.2.2系统配置............................................................ 2..2.3综合特性............................................................. 2.. 3系统各组成部分介绍......................................................3.3.1VROV仿真软件......................................................... 3.3.1.1ROV 配置........................................................... 3.3.1.2工作任务包........................................................ .3..3.1.3 ROV工作环境........................................................ 8.3.2 VROV仿真器硬件平台 (9)4使用设备清单........................................................... .101 概述水下机器人是随着现代科学技术的应用需求而建立起来的新一代水下载体潜器。
