《水中异型机器人研究》张忠林作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《水中异型机器人研究》

【作　者】张忠林作

【页 数】 199

【出版社】 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社 , 2021.03

【ISBN号】978-7-5661-3014-3

【分 类】异型-水下作业机器人-研究

【参考文献】 张忠林作. 水中异型机器人研究. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2021.03.

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图书目录：

《水中异型机器人研究》内容提要：

本书系统介绍了水中异型机器人的研究技术，在内容安排上，既包含了相关支撑基础技术的介绍，又体现了国内外相关设计方法体系的新发展、新成果。全书共分6章，主要内容包括水中异型机器人概论、水中异型机器人技术基础、船舶送缆机器人、微型水下观光机器人、仿潜水员机器人、海底作业型机器人。本书选例具体、科学合理，可以作为机器人工程专业高校教师、科研和工程技术人员的参考用书。

《水中异型机器人研究》内容试读

第1章水中异型机器人概论

本章简要叙述了水中机器人的发展历程，水中机器人的种类和应用，从而引出水中异型机器人的范畴，较为细致地阐述水中异型机器人的定义、内涵与特征、主体构成和功能配置，给出了水中异型机器人技术的发展趋势。

1.1水中机器人的发展历程

人类生存的地球表面2/3是水，这里的水指的是海洋、江河、湖泊等水面。应用于海洋、江河、湖泊中的机器人，顾名思义都可以称之为水中机器人。现代机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。随着我国智慧海洋工程建设、“十三五”期间海洋资源开发和基础工程建设蓬勃发展，相继出现和开发了多种水中机器人产品。

无论是水面机器人还是水下机器人，纵观水中机器人的发展历程，通常可以概括为三代。第一代包括水面无人船、拖曳潜水器等，这些水中机器人都是手动控制的。第二代水中机器人具有自适应能力，控制系统采用分层递阶设计，控制器具有计算和初级记忆功能，并能够学会基本的技能，但仍是靠人指挥操作。随着人工智能技术的出现和发展，具有人工智能系统的水下机器人成为第三代水中机器人。它具有分析和判断能力，可根据外部环境的变化而更换作业操作，并具有丰富的记忆能力和强大的计算能力。目前各个国家都在研究和开发第三代水中机器人产品，因为从近几十年水中机器人发展进程中的经验看，善于抓住发展机遇的国家才能够成为海洋科技强国。

人类的海洋探索、科学考察，以及国家海洋战略需要，促进了水中机器人的出现和发展。

首先在水下机器人方面，1927年苏联科列诺夫教授乘坐钟形潜水装置，进行水下45m深度的观测和采样作业。1957年美国人采用深水潜水球完成了对海洋地质的考察。到了

20世纪70年代，潜水装置发展成为遥控潜水器，美国开始使用CURV(科沃号)、RUM(腊姆

号)水下潜水器，完成对海洋的科学考察。1972年苏联采用蟹号潜水器完成对海洋的地质考察。到了20世纪80年代，“无人的+有缆的”潜水器研制发展迅速，主要服务于海洋石油开采。海洋石油开发及海洋救捞等方面的发展需要推动了包括载人潜水器、无人遥控潜水器、有缆遥控潜水器、水底作业潜水器、救捞潜水器等设备的研制和开发。中国是在20世纪80年代后，开始进行水下机器人研发的，相继研制出海人一号水下机器人、逆戟鲸号无人

水中异型机器人研究

无缆潜水器等水下机器人。1990年，美国和加拿大通过合作，研制出穿过北极冰层的无人无缆潜水器。中国2009年首次在北冰洋海域冰下调查，使用海龙2号水下机器人，利用机械手准确抓取硫化物样品。2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人在哈尔滨工程大学问世。2015年3月19日，国内首次利用水下机器人将五星红旗植入3000m南海海底。

其次在水面机器人方面，水面无人艇具有代表性。1944年二战时期，美国海军利用水面无人艇进行扫雷作业和收集原子弹爆炸样品等。之后，苏联开发了自杀攻击型水面无人艇，用来炸毁和攻击敌方水面舰船等。到了20世纪80年代，主要应用水面无人艇作为靶标，进行海上训练和演习。20世纪末至今，无人艇主要应用于反水雷、情报侦察、反潜等重要军事领域。

另外在水中仿生机器人方面，诸如仿生鱼、仿生虾、仿生蟹、仿生乌龟、仿生水母、仿生带鱼等水中机器人都相继被研发出来，大大拓展了水中机器人的种类和应用。

1.2水中机器人的种类和配置

从前面的叙述中可以看出，水中机器人总体可以分成水下机器人、水面机器人和仿生机器人等多种类型。

水下机器人按照功能可分为两类：观察型和作业型。按照动力来源又可分为有缆机器人和无缆机器人。常用的有：有缆遥控式水下机器人ROV(remotely operated vehicle)、无缆式智能水下机器人AUV(autonomous underwater vehicle)或UUV(unmanned underwatervehicles),目前，又出现了AUVMS(AUV+manipulator system)机器人o

国内外具有代表性的R0V产品（图1-1）有美国伍兹霍尔研究的Jason号、日本的海沟号、加拿大的ROPOS号、法国的H300-Ⅱ型机器人和英国的Seaeye号等，以及上海交通大学的海龙号、浙江大学的海马号、沈阳自动化研究所的海星号、中船重工七一○研究所的猎手号等。

智能水下机器人技术在20世纪80年代得到了迅速发展，国内外代表性的AUV如图

1-2所示。在该领域美国的技术最为先进，美国REMUS系列AUV用于军事和海洋开发

中，其中REMUS-60O0高度模块化系统，代表了AUV的最高水平。美国Bluefin系列AUV用于水雷的探测、海底地形地貌的勘探、环境情报搜集等，2014年4月Bluefin-21(蓝鳍金枪鱼-21)被用于马航MH370搜救任务。英国AUV有Autosub6000,用于海洋科考，在北极

和南极冰层下进行作业。俄罗斯AUV有MT88,用于目标探测与识别、海底地形扫描与测绘

等。挪威Hugin系列AUV用于管道检测、环境监控及目标探测等。德国AUV有DeepC,它被设计成了滑翔器外观，配备智能监控系统和高精度长航时水下导航系统，具有自主避障能力，主要用于情报收集和武器投放等军事任务。

第1章水中异型机器人概论

(a)Jason

(b)海沟

(c)ROPOS

(d)H300-1

(e)Seaeye

(D海龙

(g)海马

h)海星

()猎手

图1-1国内外代表性的R0V

中科院沈阳自动化研究所联合俄罗斯开发的AUV有CRO1和CRO2,又联合中科院声

学所和哈尔滨工程大学研制潜深达6000m的潜龙一号，潜龙一号具有自主避障、连续运动

控制及遥控航行功能，用于海底测试等任务。同时，国内各高校也开展了AUV的研究，用于

海底资源探测、海底地形扫描与测绘、海底油气管道探测、温盐深水文数据采集等工作，如哈尔滨工程大学、上海交通大学、中国海洋大学、西北工业大学、浙江大学等。

近年来提出采用AUV+机械手系统(AUVMS)配置来完成水下作业，该系统无须复杂

作业母船，没有脐带缆风险，大大降低了水下作业成本。英国赫瑞瓦特大学AUVMS,用两个

液压手爪抓住作业目标，然后用7功能机械手自主完成水下阀门开关作业。夏威夷大学

AUVMS搭载惯性导航系统、DGPS、声呐、相机和末端多维力或力矩传感器，可实现水下挂钩

等位置跟踪与环境接触作业。Mario Prats等在欧盟和西班牙等国家项目支持下，对AUVMS自主作业开展研究，实现了水池的跟踪和抓取操作。我国的沈阳自动化研究所、浙江大学、

哈尔滨工程大学等也开展了AUVMS研究，并开发了实物样机。

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水中异型机器人研究

0过

(a)REMUS-6000

(b)Bluefin-21

(c)Autosub6000

(d)MT88

(e)Hugin1000

(f)DeepC

(g)CR02

(h)潜龙一号

()海灵

G)上海交大研制的AUV

(k)海洋大学研制的AUV

图1-2国内外有代表性的AUV

水下滑翔机(underwater glider,UG)是一种新式水中机器人，其特性是滑翔时使用浮力驱动方式，其水下航迹的控制和自身定位精度较低，航速比较低。国外关于水下滑翔机在20世纪90年代初就展开了研究，美国成果较为突出，已经研制出4款水下滑翔机，分别是：美国斯克里普斯海洋研究所研制的Spray Glider(图1-3(a))、华盛顿大学研制的Sea

Glider、Webb Research Corp研制的Slocum Electric Glider和Slocum Thermal Glider.。我国水下滑翔机研究起步较晚，有中国科学院沈阳自动化研究所、天津大学、华中科技大学、上海交通大学、浙江大学和中国海洋大学等单位开展研究。沈阳自动化研究所研发的海翼号如图1-3(b)所示。

(a)Spray Glider

(b)沈自所海翼号

图1-3国内外有代表性的水下滑翔机

海上机器人搭载体都是船体，实现无人化的智能海上作业离不开无人艇（图1-4）。美

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第1章水中异型机器人概论

国Liquid Robotics公司打造的无人驾驶船波浪滑翔机由漂浮平台组成，其表面覆盖为波浪

滑翔机提供动力的太阳能电池、波浪的动力驱动水下鳍状物和GPS装置。此无人船航行约

59500km,不断发送含盐量、水温、波浪、天气状况、溶解氧等海洋数据，该船的长途旅行开

创了无人艇在民用领域的新纪元。SPARTAN无人艇是美国海军新世纪计划发展的一种新

武器系统，是既可遥控也可自动运行的高速艇，可在海域内工作8h,速度比有人驾驶的船要高得多，可在夜间行动。美国的CAT-surveyo先进无人水面艇可用于在河道、近海域全天候监测侦察，并搭载先进的自主导航系统，可在无人干预的情况下在指定区域完成预定任务。海上猎手号无人水面艇，主要用于侦查潜艇，最多可持续巡航70d,航程10000 n mile,最高时速50km,可在7级恶劣海况下航行。在国内，中国航天科工沈阳新光集团2008年研制出了天象1号无人水面艇，是国内第一艘工程应用的无人水面艇，奥运会期间为青岛帆船比赛提供气象保障服务，电子系统包括海上无人探测平台及地面控制系统，电子信息系统集成了早期的智能驾驶、雷达搜索、卫星应用、图像处理与传输等设备。哈尔滨工程大学在2014年研制了天行1号高速无人艇，采用复合推进方式，可在4级海况下航行，具备自主航行、危险感知与规避功能，以及全自主海洋环境监测、侦察、地形探测等多任务能力。

2016年4月，美国斯坦福大学的Oussama Khatib研究团队，在法国南部进行科学考察，探测位于水下100多米的沉船，由于大部分潜水员难以到达这一深度，故采用类人型潜艇机器人Ocean One来完成。Ocean One是类人机器人手与水下遥控潜水器的结合，采用8个螺旋桨推进方式，通过远程操作执行水下任务。Ocean One提供了在狭窄空间内进行作业的水下机器人设计案例。

(a)波浪滑翔机

(b)SPARTAN

(c)CAT-surveyo

(d海上猎手

(e)天象1号

(0天行1号

图1-4国内外代表性的水面无人艇

近年来，在仿生机器虾、仿生带鱼机器人、仿生机器鱼、仿生机器蟹、仿生机器乌龟、仿生机器水母、仿生青蛙机器人等方面也取得了相关成果，比如美国东北工业大学研制的仿

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水中异型机器人研究

生机器虾可执行清除水雷等作业；美国纽约工程公司Pliant Energy Systems研制的Velox机器人，在水中游动时仿佛一条大带鱼；还有北京航空航天大学研制的机器鱼，哈尔滨工程大学研制的仿生机器蟹、仿生机器乌龟，德国Fsto公司研制的仿生水母机器人、哈尔滨工业大学研制的仿生青蛙机器人等（图1-5）。水中机器人种类繁多，按照其工作要求不同，其功能配置也会有所不同。这里以常规的ROV、AUV和ASV(autonomous surface vehicle)为例，列出了它们的主要参考配置（表1-1），可为水中机器人的设计提供参照。

(a)Ocean One

(b)龙虾原型与仿生机器虾

(c)带鱼原型与Velox

(d水母原型与仿生水母

(©)鱼原型与仿生机器鱼

()蟹原型与仿生机器蟹

(g)龟原型与仿生机器龟

)青蛙原型与仿生青蛙机器人

图1-5国内外代表性的水中仿生机器人

表1-1典型水中机器人配置表

配置/机器人

ROV

AUV

ASV

水面监控系统+自主控制

陆上监控系统+自主

控制系统

水面监控主控制系统

系统

控制系统

释放回收装置

绞缆车

自主式特定收放系统

自主式特定收放系统

电源

外部供电

内部供电

内部供电

导航系统

外部

惯性导航系统

惯性导航系统

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···试读结束···