水下机器人在安徽实现零的突破

发布日期：2017-06-22 14:34:35 来源：江淮机电网编辑：whl

　　江淮机电网6月22日报道进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。

　　海洋作为人类的蓝色国土，关系到人类的生存和发展，这是人类面临的更现实的问题。从20世纪后半叶起，水下机器人经历了从诞生、发展、到开始走向应用的历程。21世纪，伴随着人类认识海洋、开发利用海洋资源和保护海洋的进程，水下机器人这一高新技术将进一步发展并更加完善，21世纪将是水下机器人广泛应用的世纪，因此21世纪，水下机器人将成为人们征服海洋重要的水下工具，其地位与作用将受到人们越来越重视。

　　水下机器人也称无人遥控潜水器（unmanned underwater vehicles，UUV），是一种工作于水下的极限作业机器人。由于水下环境恶劣危险，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分为有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥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。

　　水下机器人有军用和民用两大类。军用无人潜水器可用于侦察、跟踪、通信、布雷和反水雷、智能打击等等。民用无人潜水器可用于探索与搜救、矿物勘察、铺设电缆、安全监测、海洋研究、水坝监测、近海养殖、海洋及内陆湖泊水系的科研考察、环境生态监测、潜水娱乐等。

　　水下机器人（无人水下潜水器）并非人们通常想象的具有类人形状的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。在外形上更像一艘微小型潜艇，水下机器人的自身形态是依据水下工作要求来设计的。生活在陆地上的人类经过自然进化，诸多的自身形态特点是为了满足陆地运动、感知和作业要求，所以大多数陆地机器人在外观上都有类人化趋势，这是符合仿生学原理的。水下环境是属于鱼类的"天下"，人类身体的形态特点与鱼类相比则完全处于劣势，所以水下运载体的仿生大多体现在对鱼类的仿生上。目前水下机器人大部分是框架式和类似于潜艇的同转细长体，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。水下机器人工作在充满未知和挑战的海洋环境中，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

　　安徽涵速水下机器人设备有限公司成立于2017年4月，是一家也是安徽唯一一家专门从事水下机器人研发、生产、销售的专业企业，填补了安徽省水下机器人产业的空白。公司具有较强的自主创新能力，成立以来自主研发了多项水下机器人关键技术，掌握了多项核心技术，目前，公司已申报多项发明和实用新型专利，其中国家发明专利2项、实用新型专利5项。公司研发的高性能水下机器人具有较高的技术水平，产品广泛用于水坝监测、水下调查与科考、海洋与江河水质检测及娱乐等领域。

　　公司现有员工17人，其中大专以上科技人员10人，占员工总数的58.82%，专职研发人员5人，占员工总数的29.41%。目前公司组建了高水平的研发团队，教授1人，博士1人，在读博士3人，公司现已与上海交通大学等高校和科研单位建立了产学研合作关系。公司重视科技研发，在大量消化吸收国外先进技术的基础上，通过科技攻关和自主创新，研发成功了多项具有国内领先水平的水下机器人关键技术，为研发生产高水平的水下机器人奠定了坚实的技术基础。其主要技术创新点如下：

　　1、水下机器人姿轨一体化精确建模及控制

　　水下机器人轨迹和姿态运动的动力学建模、控制是完成水下任务的重要保障。传统的方式是将水下机器人的运动分解为轨迹运动和姿态运动并对其分别进行研究。然而随着航行器新型任务的出现，这种分而治之的研究方式体现了一定的局限性。

　　本项目创新针对水下机器人航行轨迹与姿态的一体化动力学建模问题，以一体化的方式描述水下机器人在轨运行的轨迹运动与姿态运动，并重新导出由其描述的水下机器人一般运动的运动学模型。在建模过程中，充分考虑到传感器信号测量或传输的时滞现象、水下机器人航行条件的变化、环境参数的干扰以及建模产生的不确定性、传感器故障、执行器饱和等现象，设计出相应的鲁棒控制器。

　　通过本项创新，可以同时控制水下机器人的轨迹和姿态，进一步减小机器人定深误差，水平面偏航误差以及姿态角误差。通过使用建模与控制一体技术，也能满足高精度水下任务与机器人运动控制的抗扰动性的要求。

　　2、水下机器人的信息融合定位与智能目标识别技术

　　（1）针对传统水下机器人的水下定位传感器误差累积大、水下定位所需位置姿态测量信息精度要求高的问题，提出了一种基于状态约束扩展卡尔曼滤波器（EKF）的视觉/声纳信息融合定位算法，解决由于系统参数和传感器观测不确定性引起的误差累积等问题，提高了水下机器人定位精度，提升定点作业作业能力。本项创新可以将水下机器人的位置测量与控制技术结合起来，在提高测量精度的同时，改善计算速率，提高控制效果。

　　（2）针对超小型水下机器人在大众水下体验时娱乐性要求、小型工业机器人定点检测维修要求，将单目视觉和双目深度视觉图像目标检测与追踪技术应用到水下机器人的控制中，解决消费者水下抓拍、水下目标追踪观察、海洋海底地图建立、水下目标检测维修等问题，这样会提高水下机器人的可控性、娱乐性、高作业性能。本项创新可以将图像的智能处理技术与水下机器人的控制结合起来，在提高机器人整体性能时，也利于水下机器人产品在水下娱乐市场的深度扩展。

　　3、关键部件的设计以及机器软件交互平台

　　（1）航行器主体：航行器尺寸小巧，外观圆润，重量轻，一人即可轻松操控；其水下动作灵活，可实现全自由度航行，续航时间2小时，岸上充电快捷，同时配备各清晰度摄像头，可实时上传水下影像。

　　（2）线缆附件：线缆附件采用零浮力水下材料，为水下机器人的水下自由运动带来轻便、灵活性。拎包式携带，为随时的水下体验带来便捷。

　　（3）设计非接触式水下机器人电源管理模块，使用该项电源管理技术可以减轻水下机器人由于连接接插件插拔所带来的水密隐患，也避免人为接触或者频繁性的物理操作给水下电源管理导致不确定性危险因素渗透。

　　（4）移动端控：通过移动端APP可轻松操控航行器，并实时接收水下影像，便捷进行视频录制、剪辑以及拍照；并具有与主流社交媒体共享功能，可展示水下影像、及时分享娱乐体验。

　　2017年5月17日，安徽涵速水下机器人代表铜陵参加了在肥的中部博览会，在会上作为唯一一家水下机器人参展企业，受到了与会政府领导、行业人士、专业媒体及广大参会人员的关注，为企业及产品的推广起到非常有意义的促进作用。（安徽涵速水下机器人设备有限公司总经理金文平）

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