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水下機(jī)器人
水下機(jī)器人也稱無人遙控潛水器,是一種工作于水下的極限作業(yè)機(jī)器人。
水下環(huán)境惡劣危險,人的潛水深度有限,所以水下機(jī)器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。 無人遙控潛水器主要有:有纜遙控潛水器和無纜遙控潛水器兩種,其中有纜遙控潛水器又分為水中自航式、拖航式和能在海底結(jié)構(gòu)物上爬行式三種。
結(jié)構(gòu)功能
典型的遙控潛水器是由水面設(shè)備(包括操縱控制臺、電纜絞車、吊放設(shè)備、供電系統(tǒng)等)和水下設(shè)備(包括中繼器和潛水器本體)組成。潛水器本體在水下靠推進(jìn)器運動,本體上裝有觀測設(shè)備(攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機(jī)械手、切割器、清洗器等)。
潛水器的水下運動和作業(yè),是由操作員在水面母艦上控制和監(jiān)視??侩娎|向本體提供動力和交換信息。中繼器可減少電纜對本體運動的干擾。新型潛水器從簡單的遙控式向監(jiān)控式發(fā)展,即由母艦計算機(jī)和潛水器本體計算機(jī)實行遞階控制,它能對觀測信息進(jìn)行加工,建立環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)模型。操作人員通過人機(jī)交互系統(tǒng)以面向過程的抽象符號或語言下達(dá)命令,并接受經(jīng)計算機(jī)加工處理的信息,對潛水器的運行和動作過程進(jìn)行監(jiān)視并排除故障。開始研制智能水下機(jī)器人系統(tǒng)。操作人員僅下達(dá)總?cè)蝿?wù),機(jī)器人就能根據(jù)識別和分析環(huán)境,自動規(guī)劃行動、回避障礙、自主地完成指定任務(wù)。
無人有纜潛水器的發(fā)展趨勢有以下優(yōu)點: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(jī),實施處理資料和進(jìn)行數(shù)字控制;三是潛水器上的機(jī)械手采用多功能力反饋監(jiān)控系統(tǒng):四是增加推進(jìn)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。
應(yīng)用領(lǐng)域
可用于檢查大壩、橋墩上是否安裝爆炸物以及結(jié)構(gòu)好壞情況
遙控偵察、危險品靠近檢查
水下基陣協(xié)助安裝/拆卸
船側(cè)、船底走私物品檢測(公安、海關(guān))
水下目標(biāo)觀察,廢墟、坍塌礦井搜救等;
搜尋水下證據(jù)(公安、海關(guān))
海上救助打撈、近海搜索;
2011年水下機(jī)器人最深能在6000米的海底世界,以每小時3至6公里的速度行走,前視、下視雷達(dá)給了它“好視力”,隨身攜帶的照相機(jī)、攝像機(jī)和精確導(dǎo)航系統(tǒng)等,讓它 “過目不忘”。2011年伍茲霍爾海洋研究所提供的水下機(jī)器人在4000平方公里的海域中僅僅花了幾天時間便找到了法航航班的殘骸,而此前各種船只飛機(jī)尋找兩年無果。
MH370失聯(lián)客機(jī)截至2014年4月7日尚未找到,澳大利亞海事安全局聯(lián)合協(xié)調(diào)中心召開發(fā)布會,搜救行動處境微妙,需要不斷精確搜尋位置,不會放棄希望,搜索區(qū)域最深將達(dá)到5000米,將使用水下機(jī)器人搜尋黑匣子信號。\
可用于市政飲用水系統(tǒng)中水罐、水管、水庫檢查
排污/排澇管道、下水道檢查
洋輸油管道檢查;
跨江、跨河管道檢查
船舶河道海洋石油
船體檢修;水下錨、推進(jìn)器、船底探查
碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查;
航道排障、港口作業(yè)
鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)檢修、海洋石油工程;
水環(huán)境、水下生物的觀測、研究和教學(xué)
海洋考察;
冰下觀察
水下電視拍攝、水下攝影
潛水、劃船、游艇;
看護(hù)潛水員,潛水前合適地點的選擇
核電站反應(yīng)器檢查、管道檢查、異物探測和取出
水電站船閘檢修;
水電大壩、水庫堤壩檢修(排沙洞口、攔污柵、泄水道檢修)
水下考古、水下沉船考察
深水網(wǎng)箱漁業(yè)養(yǎng)殖,人工漁礁調(diào)查
無人無纜潛水器尚處于研究、試用階段,還有一些關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決。無人無纜潛水器將向遠(yuǎn)程化、智能化發(fā)展,其活動范圍在250~5000公里的半徑內(nèi)。這就要求這種無人無纜潛水器有能保證長時間工作的動力源。在控制和信息處理系統(tǒng)中,采用圖像識別、人工智能技術(shù)、大容量的知識庫系統(tǒng),以及提高信息處理能力和精密的導(dǎo)航定位的隨感能力等。如果這些問題都能解決了,那么無人無纜潛水器就能是名副其實的海洋智能機(jī)器人。海洋智能機(jī)器人的出現(xiàn)與廣泛使用,為人類進(jìn)入海洋從事各種海洋產(chǎn)業(yè)活動提供了技術(shù)保證。
優(yōu)缺點
水下機(jī)器人可在高度危險環(huán)境、被污染環(huán)境以及零可見度的水域代替人工在水下長時間作業(yè),水下機(jī)器人上一般配備聲吶系統(tǒng)、攝像機(jī)、照明燈和機(jī)械臂等裝置,能提供實時視頻、聲吶圖像,機(jī)械臂能抓起重物,水下機(jī)器人在石油開發(fā)、海事執(zhí)法取證、科學(xué)研究和軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
由于水下機(jī)器人運行的環(huán)境復(fù)雜,水聲信號的噪聲大,而各種水聲傳感器普遍存在精度較差、跳變頻繁的缺點,因此水下機(jī)器人運動控制系統(tǒng)中,濾波技術(shù)顯得極為重要。水下機(jī)器人運動控制中普遍采用的位置傳感器為短基線或長基線水聲定位系統(tǒng),速度傳感器為多普勒速度計會影響水聲定位系統(tǒng)精度。因素主要包括聲速誤差、應(yīng)答器響應(yīng)時間的丈量誤差、應(yīng)答器位置即間距的校正誤差。而影響多普勒速度計精度的因素主要包括聲速c、海水中的介質(zhì)物理化學(xué)特性、運載器的顛簸等。