統計得知, 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(zhù)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, 人們對于可利用空間的需求也不再滿(mǎn)足于陸地空間了。同時(shí), 由于陸地可利用的空間相對來(lái)說(shuō)比較狹小, 人們也逐漸加強對海洋空間的有效使用, 并有了很多顯著(zhù)的成效。便攜式自主水下機器人是進(jìn)行海洋探索和海洋地質(zhì)調查以及水下資源開(kāi)發(fā)的重要工具, 有些情況下, 可以說(shuō)是唯一的探測工具。由此可以看出來(lái), 便攜式自主水下機器人在進(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在宇宙探索中的作用。

作為一種海洋地質(zhì)調查工具和運載工具以及潛水設備, 便攜式自主水下機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 )向海洋邁進(jìn)的主要工具。很多情況下, 便攜式自主水下機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)行綜合調查和研究, 同時(shí)還能完成很多項探測活動(dòng)任務(wù), 是一項非常重要的技術(shù)和工具。例如, 在進(jìn)行海洋資源開(kāi)發(fā)的過(guò)程中, 便攜式自主水下機器人可以在深海調查海洋資源、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、對海底進(jìn)行繪圖、調查水文狀況、檢查和維修海底的石油管道和越洋電纜、以及檢測和維修海洋的石油平臺與工作站, 等等。由此可見(jiàn), 便攜式自主水下機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。

便攜式自主水下機器人是人們研究海洋、開(kāi)發(fā)海洋資源的重要工具, 得到了上很多國家的重視和運用。從便攜式自主水下機器人的發(fā)展來(lái)看, 在未來(lái), 航程會(huì )更遠、下潛深度會(huì )更深、機身體積會(huì )更小、功能也會(huì )越來(lái)越強, 為海洋地質(zhì)調查工作和水下探測活動(dòng)等帶來(lái)更多的積極意義。在過(guò)去的十年之間, 全對于水下機器人的研究計劃大約有六十多個(gè), 與此同時(shí), 還研究了大約兩百多個(gè)水下機器人, 而便攜式自主水下機器人是重要且功能性很強的研究成果。隨著(zhù)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, 便攜式自主水下機器人也逐漸應用于商業(yè)發(fā)展之中, 這對于經(jīng)濟的可持續發(fā)展和資源的有效利用產(chǎn)生了重要影響。

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

便攜式自主水下機器人的系統是由水面支持系統和水下航行載體兩部分組成的。一方面, 水面支持系統是由數據處理軟件和便攜式控制箱構成的, 主要的工作內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, 屬于一種人機交互的平臺。另一方面, 水下航行載體的主要負責內容是將海洋環(huán)境探測和水下觀(guān)測工作有效完成。水下航行載體是由控制系統和載體系統、觀(guān)察系統、導航系統以及能源系統等構成的。其中, 載體系統的推進(jìn)器設計方式是主推進(jìn)器和X形舵, 四個(gè)舵頁(yè)自己進(jìn)行驅動(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, 很好的提升了作業(yè)效率。通常情況下, 載體控制系統采取的分布式結構是多種通信方式, 主要的控制節點(diǎn)可以使用Linux多任務(wù)操作的系統, Linux是一個(gè)性能比較穩定且用戶(hù)很多的網(wǎng)絡(luò )操作系統, 采取Linux系統可以節省作業(yè)時(shí)間。同時(shí), 導航定位系統由多普勒計程儀和電子羅盤(pán)以及機身上安裝的全球定位系統組合而成的導航系統。此外, 為了更加有效的調查海洋地質(zhì)情況和觀(guān)察海洋環(huán)境以及開(kāi)發(fā)利用海洋資源等等, 便攜式自主水下機器人的載體上還要安裝溫鹽深測量?jì)x和側掃聲吶組合而成的水下觀(guān)察系統。后, 便攜式自主水下機器人的載體上的能源系統還要使用鋰離子電池組, 根據每次工作的內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器人系統的組成內容研究和應用方法的分析。

一方面, 便攜式自主水下機器人的控制系統主要采取了分布式結構, 其中包含了水面支持部分、控制主體部分、通信設施部分、數據采集應用設備、電源的管理模塊以及推進(jìn)系統模塊。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(xiàn)電以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋與臍帶電纜。首先, 銥星的傳播距離比較遠, 覆蓋范圍相對來(lái)說(shuō)也很大。但是, 銥星的傳播數據量不多, 還有數據延遲的情況出現。所以, 只能在應急的情況下使用銥星, 或者是航行結束后使用銥星定時(shí)傳播導航的定位數據。其次, 無(wú)線(xiàn)電的數據延遲比較小, 但是它的傳播距離不長(cháng), 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)橋的數據傳輸量很大, 而且數據信息真實(shí)可靠。不過(guò), 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋的數據傳輸距離更短, 根據這些特點(diǎn)可以完成使命文件下載工作或者測量的數據上傳工作。后, 臍帶電纜的數據傳播量非常大, 還沒(méi)有數據延遲的現象發(fā)生, 傳播信號穩定, 非常適合在岸上進(jìn)行調試工作。這四種溝通方式各具優(yōu)勢和不足之處, 可據他們自身的特點(diǎn)來(lái)選擇適當工作內容, 的提升了控制系統的工作水平, 增強其科學(xué)性與合理性, 從而有效的提高了便攜式自主水下機器人的作業(yè)效率與質(zhì)量。

另一方面, 便攜式自主水下機器人按照功能劃分的話(huà), 內部結構可分為兩部分, 一部分是由主控計算機完成的航行器自己的平臺控制工作。另一方面主要是進(jìn)行采集觀(guān)察到的數據, 由測量計算機負責完成, 二者之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信的方式進(jìn)行聯(lián)系。這種機構模式有利于實(shí)現功能模塊獨立化的作業(yè)目標, 減少彼此帶來(lái)的影響, 有利于更好的擴展監測設備。與此同時(shí), 使用以太網(wǎng)通信, 可以方便內部計算機連接外部設備, 為工作人員的調試工作帶來(lái)了很大的便利。為了使整個(gè)系統在硬件上做到密切連接, 主控計算機可以使用PC104總線(xiàn)的嵌入式系統, 并通過(guò)控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)和電源管理部分以及推進(jìn)系統部分之間進(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(xiàn)纜數量。一般情況下, 主控計算機與導航傳感器之間的距離比較近, 而且傳播的數據量少, 所以會(huì )使用串口通信方式。與此同時(shí), 控制器內部會(huì )單獨控制各個(gè)用電設施, 以此降低便攜式自主水下機器人的功能消耗量。測量計算機會(huì )使用耗能較低的處理器, 能夠在便攜式自主水下機器人航行時(shí)實(shí)時(shí)記錄觀(guān)察到的數據, 并在工作結束后, 對上傳到水面支持系統中的觀(guān)察數據進(jìn)行系統的分析。

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟快速發(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。為了更有效的探測海底資源, 人們研究出很多海洋地質(zhì)調查和水下探測以及水下資源開(kāi)發(fā)的工具。其中, 便攜式自主水下機器人是一種幫助人們探索海洋的重要工具, 也得到了人們認可和重視。便攜式自主水下機器人有效的實(shí)現了模塊化目標, 操作起來(lái)比較容易, 同時(shí)它的體積相對來(lái)說(shuō)還比較小, 在海洋地質(zhì)調查工作中和水文環(huán)境調查以及海洋資源開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了很大的作用。便攜式自主水下機器人在作業(yè)過(guò)程中擁有一定可靠性的控制系統, 具體體現在便于理解、操作簡(jiǎn)單、易于維護, 這也是在未來(lái)發(fā)展中人們更要完善的作業(yè)目標。由此可見(jiàn), 便攜式自主水下機器人是一種技術(shù)含量高且便捷的主要海洋勘測工具, 有效的應用能夠為資源的有效利用和人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展提供了重要作用。