“探索者”号无缆自治水下机器人的信息系统

本文主要介绍“探索者”号无缆自治水下机器人信息系统及构成，它分为水上、水下两大部分、最后，详细介绍了水上信息系统的特点。     

无缆水下机器人组合导航系统

无缆水下机器人是我国首次开展的高技术课题,组合导航系统是无缆水下机器人研究中的关键部分,本文介绍了多种导航设备同时工作,经过信息综合处理获得高精度导航信息的组合导航系统和组合导航系统中所需要的坐标转换及卡尔曼滤波器的计算,为无缆水下机器人建立一个较理想的导航方式。     

海底可视技术在大洋科考中的应用和发展趋势

海底可视技术是一种直观地进行海底调查的手段,在大洋科考调查中发挥着重要的作用。文中介绍了海底摄像、电视抓斗和无人缆控潜水器(ROV)等海底可视设备在大洋科考中的应用情况,并提出了自治水下机器人(AUV)在大洋科考中的应用趋势。     

深海ARV在海洋资源调查中的应用及展望

深海自主/遥控式水下机器人（ARV）作为新兴的复合型水下机器人,融合了自主式水下机器人的灵活性和遥控式水下机器人的人机交互性等优势,开启了自主与遥控混合作业的新模式。深海ARV可切换为AUV自主航行模式,独立采集周边区域近海底地形地貌、地质结构以及环境参数等数据,也能下潜至目标区域后切换为ROV遥控模式进行局部观察和采样操作,其探测作业一体化技术代表了具备复杂使命执行力的第三代深海水下机器人的发展方向。通过分析国内外深海混合型水下机器人的发展现状,结合ARV在中国深海矿产资源调查中的主要应用案例和取得的成果,以6 000米级“问海一号”ARV系统的研发为例,给出其关键技术集成以及面对的技术挑战,并对未来深海ARV的应用场景、功能集成和发展方向提出了一些设想和建议。     

全球有缆海底观测网概述

近期有缆海底观测网发展迅猛,世界各国包括加拿大、美国、日本和欧洲国家都依据自己的科学目标,建立了相应的有缆海底观测网。文章针对不同国家有缆海底观测网系统的组成和建设分别做了概述和评论。从1978年开始到现在,日本成功建设了10条有缆海底地震观测网,从早期同轴电缆作为主干电缆,发展到使用光电缆连接水下设施。加拿大成功建成近岸尺度和区域尺度两条有缆海底观测网。美国2012年成功建成目前世界上最长的一条区域海底观测网(约900km)。欧洲国家也正在开展在10个海区建立有缆观测网。跟随国外的步伐,我国和我国台湾地区也建立了自己的海底观测站(东海小衢山)和有缆观测网(中国台湾妈祖)。文章依据世界上已经建立的有缆海底观测网,分析认为与全球有缆观测网布设有关的遥控水下机器人是关键技术,并探讨了海底观测网今后的发展和面临的挑战。     

遥控水下机器人脐带缆收放绞车设计及牵引力分析

脐带缆收放技术是有缆遥控水下机器人的一项关键技术,该技术直接影响水下机器人载体的收放及作业过程中脐带缆的安全。针对目前水下机器人收放系统中脐带缆收放技术的特点,给出了一种具有自动排缆、低张力缠绕、能够提供大牵引力和安全制动功能的紧凑新式脐带缆绞车方案,并对牵引绞车与储藏绞车之间脐带缆张力与牵引绞车的牵引力进行了理论分析,给出了二者之间的关系函数。     

水下机器人光纤微缆动力学研究

讨论了水下机器人远程通信光纤微缆的动力学问题,研究分析了在海洋层流条件下水下机器人的运动对光纤微缆张力的影响,在仿真分析的基础上提出了对光纤微缆收放系统的设计要求并给出了概念设计方案。     

深海大型爬行机器人研究现状

对海底不同作业形式的深海大型爬行机器人进行了分类综述,依据当前深海大型爬行机器人在各方面的应用,将其分为了深海采矿机器人和深海挖沟机器人两大类,并对这两类中的一些性能突出的机器人进行了详细的介绍。重点介绍我国第一代、第二代多金属结核采矿机器人,SMD的3个多金属硫化物开采机器人,中科院深海所的富钴结壳规模采样爬行机器人,喷射式挖沟爬行机器人QT2800和机械式挖沟爬行机器人BT2400。并对深海大型爬行机器人的海底复杂行走技术和导航定位技术进行了阐述。行走技术方面,重点介绍Nexans公司的带有铰接式行走腿系统的Spider Dredger,中南大学的铰接履带式采矿机器人和北京矿冶研究总院的复合轮式机器人。导航定位方面,介绍了当前一些在用的深海导航定位技术。最后,对未来深海大型爬行机器人的发展趋势进行了展望。     

一种智能水下机器人进行大范围海洋环境监测的方案与实验

采用智能水下机器人进行海洋环境的立体监测具有监测范围广,自主性强的特点。本文在探讨世界各国采用智能水下机器人进行海洋环境监测的情况的基础上,介绍了自主研发的智能水下机器人海洋大范围环境数据的自主采集系统,其主要优点是：相对于其他机器人,可实现“大范围” 海洋环境数据的采集;相对于固定式浮标,可实现海洋环境数据的“自主”采集。并给出了自主采集流程和软件分层递阶体系结构。在真实海域中,采用智能水下机器人,进行了国内首次大范围环境数据采集实航实验。实验结果表明采用智能水下机器人进行海洋环境的立体监测是切实可行的。     

自主式深海海底溶质通量原位观测站研究进展

针对深入了解深海海底界面的物理、化学和生物动态变化过程及机制的观测需求,综述了自主式海底观测站(着陆器,lander)在深海海底溶质通量监测的研究进展。探讨了海底观测站的设计与实施技术,分析总结了深海自主式原位观测站在沉积物-水界面化学组分通量的观测机理,讨论了自主式海底观测站的国内外发展现状。自主式海底观测站具有可灵活机动选择观测地点、操作简单、便于多参数综合测量的特点,为获取深海海底长时空尺度综合参数资料提供了有效的技术支撑。根据目前深海生物地球化学循环研究特点,提出了自主式海底观测站面临的问题与发展建议。     

遥控水下机器人（ROV）结构综述——以hysub130—4000ROV系统为例

本文以HYSUB130—4000ROV系统为例介绍了遥控水下机器人的系统结构原理和功能,具体包括甲板控制台、甲板供电单元、提升系统、脐带缆、ROV本体、机械手及工具等各部分结构特点。     

深海小型履带式机器人转向动力学建模与分析

为预测复杂海底环境下的小型履带式机器人转向运动性能,运用履带与土壤之间的剪切应力-剪切位移关系,考虑履带滑转以及转向离心力因素,并将水中浮力和水阻力参数引入构建履带式机器人深海底质土壤环境下的稳态转向动力学模型。将海底土壤参数、机器人结构参数代入动力学模型迭代求解,分析得到影响海底履带式机器人运动性能的因素。以一款深海小型履带式机器人为研究对象,在动力学仿真软件Recurdyn中构建动力学模型,通过动力学仿真得到的数据与理论计算数据具有较高的一致性,最后通过水池试验对比验证了动力学仿真的正确性。本文提出的稳态动力学模型可以作为海底履带式机器人不同机械结构参数、土壤条件下通过性预测的理论依据。     

基于“发现”号ROV的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉调查中的应用

随着海洋调查技术的发展和海洋研究的深入,基于深潜器平台的近海底调查在海洋调查与研究中的综合应用日趋常态。基于这一背景,本文介绍了搭载于"发现"号缆控水下机器人(remotely operatedvehicle,ROV)的近海底综合声学调查系统及其在台西南冷泉区的应用实例。基于"发现"号ROV平台的近海底综合声学调查系统主要由R2Sonic2024多波束测深系统,模块一体化的侧扫声纳-浅地层剖面系统和水下综合定位与导航系统构成。该系统的配置极大地扩展和完善了"发现"号ROV的近海底调查能力,实现了近海底多波束、侧扫和浅剖等声学数据的同步采集和快速融合处理。基于本套系统在南海冷泉区的综合应用,本文对其工作流程进行了介绍,并对所获得一系列成果进行了初步分析。结果表明,近海底综合探测系统的应用为南海冷泉区的识别、海底地形地貌特征分析以及空间规模量化研究等内容提供了不可或缺的基础资料。本套系统的配置和成功应用,有效地提高了我国的近海底调查和作业能力。     

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

深海采矿作业中,由于海底软泥稀软,采矿机器人极易打滑,以及海底地形、海流等干扰,采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题,设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法,通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角,后基于运动学模型建立模糊比例积分微分(PID)的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向,从而使机器人按目标路径行走;同时为了防止输入过大引起打滑,基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系,采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑;最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明,该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。     

基于海洋机器人的科学观测与实验系统研究现状与展望

海洋机器人具有观测范围大、作业灵活、机动性好、可控性强等突出优点,在海洋科学观测与海洋科学实验中发挥了重要作用,促进了物理海洋和海洋生物地球化学的发展。为阐明海洋机器人在海洋科学观测和实验中的应用情况,以水下滑翔机、自主水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）和无人帆船3种典型的观测型海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学观测中的应用现状;以原位采样与固定、原位培养与分析海洋机器人为例介绍了海洋机器人在海洋科学实验中的应用现状;最后结合未来海洋科学研究需求,从需求牵引的角度对基于机器人的科学观测与实验系统的发展趋势进行了展望。     

基于D-S理论和神经网络的多传感器信息融合方法

针对自主式移动机器人,以“海福利-IV”机器人为试验平台,提出了基于神经网络和D-S理论相结合的多传感器信息融合方法,较好的解决了复杂背景环境中多传感器信息融合问题,实现了自主式移动机器人稳定的沿固定轨迹寻线并识别标志,并通过实验证明了此方法的有效性.     

埕岛海上石油平台周边海底管道与电缆的探测技术研究

海上石油平台周边海底管缆密集,管线状废弃物多,且有相互交叉现象,常有管道与电缆分辨不清或将管线状废弃物误判成海底管缆等情况发生。这严重影响了生产运行和作业平台就位的安全,给指挥作业平台插桩、就位、船舶抛锚带来了很多困难和安全隐患。在埕岛油田平台附近海底管道电缆探测技术研究中,利用目前世界上已有的、对海底管缆探测较为有效的各种仪器设备和方法手段,进行了试点研究,从中寻求适合埕岛油田海区海底管道、电缆位置和埋设状况探测的最佳方法和手段。通过试点研究,对探测海底管道和电缆的各种仪器的探测性能、探测方法、探测过程中应注意的事项以及存在的问题进行了较全面的介绍。     

自返式微型地热探针温度测量电路设计与实现

自返式微型地热探针体型小巧,便于机载或舰载投弃式布放,可自动贯入海底沉积物进行热流测量。采用无缆布放方式,避免了缆绳牵引造成的海底沉积物结构性破坏,从而真正实现了无扰动的海底热流测量。海底沉积物的温度在恒温层以下随深度增加其变化非常微弱,而测温电路是地热探针的核心部分,其测温精度直接关系到热流数据的质量。针对自返式微型地热探针的工作特点,为提高探针温度及温度梯度测量的精度,在深入研究测温原理的基础之上,完成了测温电路的硬件电路和控制软件的设计,并通过合理的内部温度补偿算法设计,进一步提高了测量精度。测温电路在海上试验过程中,其测温曲线平滑,一致性良好,无畸变,实现了海底沉积物热流的精确测量。     

海底地形匹配高效质点滤波导航方法

海底地形匹配导航技术可实现自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)长时间的水下精确导航。质点滤波器(Point-Mass Filter,PMF)是实现 AUV 精确海底地形匹配导航的重要方法,但质点权重计算过程中需要寻找空间分布不规则的实测地形数据点与网格化先验地形图数据点间空间对应关系,造成大量计算消耗,严重影响了地形匹配导航算法实时性能。提出一种海底地形匹配高效质点滤波导航方法,通过构建伪输入高斯过程(Sparse Pseudo-input Gaussian Processes,SPGPs)模型,实现实测海底地形数据高效、精确网格化插值过程,并根据 SPGPs 方法提供的插值置信度实现网格化概率地图构建;搭建质点滤波器算法框架,提出适用于概率地图的质点权重计算过程,通过考虑网格化地图不同节点插值置信程度差别,提高地形匹配导航精度。于青岛中沙礁展开海上数据获取试验,并利用海试数据完成算法回放式仿真验证。试验结果证明,所提出网格化插值方法可实现高精度、高效地形深度插值过程,所提出海底地形匹配高效质点滤波导航方法可为 AUV 在线提供精确导航结果,且实时导航圆概率误差小于 3 m。     

埕岛油田海上石油平台基础冲刷研究

海洋石油平台的建立会改变平台周围的水动力条件，其中平台的基础及与之连接的海底管缆(输油管道、注水管道、海底电缆等)附近产生冲刷现象，对平台和海底管缆的安全造成威胁。根据对研究区典型平台的4次实洲水深并结合以往资料，分析了埕岛油田海上石油平台基础冲刷的过程及其规律。