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水下机器人的技术发展要点是什么?

归档日期:08-02       文本归类:回声声纳      文章编辑:爱尚语录

  水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程,涉及到的专业学科多达几十种,主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航(定位)、通信、能源系统等六大技术。仿真技术:由于水下机器人的工作区域为不可接近的海洋环境,环境的复杂性使得研究人员对水下机器人硬件与软件体系的研究和测试比较困难。因此在水下机器人的方案设计阶段,研究人员进行仿真技术研究的内容分为两部分。其一,平台运动仿真。按给定的技术指标和水下机器人的工作方式,设计机器人平台外形,并进行流体动力试验,获得仿真用的水动力参数。一旦建立了运动数学模型、确定了边界条件后,就能用水动力参数和工况进行运动仿真,解算各种工况下平台的动态响应。如果根据技术指标评估出平台运动状态与预期存在差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,直至满足要求为止。其二,控制硬、软件的仿真。控制硬、软件装入平台前,先在实验室内对单机性能进行检测,再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验,并评估仿真后的性能,以降低在水中对控制系统调试和检测所产生的巨大风险。内容包密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。另外,上述所需的仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通信接口、仿真工作站等组成。

  智能控制技术:智能控制技术,旨在提高水下机器人的自主性,其体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成,相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度,直接影响智能水平,它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据(信息)与控制流、通信接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。

  水下目标探测和识别技术:目前,水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。

  合成孔径声纳是用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳,非常适合尺度不大的水下机器人,可用于侦察、探测、高分辨率成像,大面积地形地貌测量等。

  前视声纳组成的自主探测系统,是指前视声纳的图像采集和处理系统,在水下计算机网络管理下,自主采集和识别目标图像信息,实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。通过不断的试错,找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法,建立数个目标数据库。特别是在目标图像像素点较少的情况下,较好地解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果,能提供目标与机器人的距离和方位,为水下机器人避碰与作业提供依据。

  三维成像声纳,用于水下目标的识别,是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息,为水下目标识别提供了有利的工具。

  水下导航(定位)技术:用于自主式水下机器人的导航系统有多种,如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等。由于价格和技术等原因,目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成的推算系统。该系统无论从价格上、尺度上和精度上,都能满足水下机器人的使用要求,目前国内外都在加大力度研制。

  光纤通信由光端机(水面)﹑水下光端机﹑光缆组成。其优点是传输数据率高(100Mbit/s)且具有很好的抗干扰能力。缺点是限制了水下机器人的工作距离和可操纵性,一般用于带缆的水下机器人。

  水声通信是水下机器人实现中远距离通信唯一的、也是比较理想的通信方式。实现水声通信最主要的障碍是随机多途干扰,要满足较大范围和高数据率传输要求,需解决多项技术难题。

  能源系统技术:水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人,对能源系统的要求是体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本。目前的能源系统主要包括热系统和电-化能源系统两类。

  热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能,包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应(铅酸电池、银锌电池、锂电池)给水下机器人提供能源,是现今一种比较实用的方法。

  电-化能源系统是利用质子交换膜燃料电池来满足水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能,工作时热量少,能快速启动和关闭。但是该技术目前仍缺少合适的安静泵、气体管路布置、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储方法。随着燃料电池的不断发展,它有望成为水下机器人的主导性能源系统。

  水下机器人一旦突破技术瓶颈,其进口替代空间广阔。但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的较大差距,致使国产水下机器人的实际应用受到限制。目前国内不同领域的很多客户,购买或租借国外现有产品,不仅价格高、配套服务难,而且有些产品并不适合中国海区的使用特点,产品机动性、抗流能力及作业能力都明显不足。

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