历史性突破!我国水下6000米无缆自治机器人

2004-12-14 10:07:35 来源: 大科技
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    1997年6月,在烟波浩渺的太平洋,中国的“大洋1号”考察船停泊在夏威夷以东1000海里的海面上,5000吨的考察船就像一片树叶似地,时而被海浪推上波峰,时而又抛到波谷。考察船上的人们忍受着摄氏40度的高温,站在摇晃的甲板上俯视着海面,正在焦急地等待着、寻找着什么。“看!上来了”,有人喊道。顺着手指的方向人们看到了一个貌似鱼雷的家伙浮出了水面,这正是人们急切盼望的“CR-01” 6000米水下机器人。

    “探索者号”水下1000米机器人

    科学家们从机器人的机舱里取出一面鲜艳的五星红旗,是它伴随着机器人潜入5179米的太平洋海底。五星红旗迎着海风飘扬,它向世人宣告,中国的6000米自治水下机器人的工程试验获得了成功,它是我国成功发射的第一颗“返回式海底卫星”,标志着我国自治水下机器人的研制水平已跨入世界领先行列。

    世界上第一台无人潜水器"Poodle"诞生于1953年,迄今已有45年的历史。最初的20多年发展缓慢。70年代,随着海上石油开采的兴起,水下机器人的发展掀起了高潮。这一时期开发出一批能在不同深度、可进行多种作业的机器人。它们可用于石油开采、海底矿藏调查、打捞作业、管道铺设及检查、电缆铺设及检查、海上养殖以及江河水库大坝的检查等方面。估计目前世界上已研制成的遥控水下机器人(ROV)在1000台以上。

    “探索者号”入海

    中国机器人的发展起步较晚,它能有今天的成就与蒋新松院士的杰出贡献是分不开的。1980年他提出“结合中国国情,把特殊环境下工作的机器人作为中国机器人技术发展的突破口”的设想,并提出把“智能机器人在海洋中的应用”作为研究重点,选择“海人1号”作为发展水下机器人的具体目标。“海人1号”先后于1985及1986年获得首航及深潜试验的成功,技术上达到80年代世界同类产品的水平。

    1986年863计划实施之前,我国研制的都是有缆遥控水下机器人,工作深度仅为300米。在863计划精心组织下,经过6年的艰苦努力研制出两台先进的无缆水下机器人。1994年“探索者”号研制成功,它工作深度达到1000米,甩掉了与母船间联系的电缆,实现了从有缆向无缆的飞跃。从1992年6月起,与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作,以我方为主,开始研制6000米无缆自治水下机器人。1995年8月, CR-01 6000米无缆自治水下机器人研制成功,使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列,成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一。

    水下6000米无缆自治机器人

    在海洋中,每下潜100米就增加10个大气压,这就要求机器人上的每一个部件都必须能承受住这么大的压力而不变形、不破坏。6000米洋底的压力高达600个大气压,在这么高的压力下,几毫米厚的钢板容器会像鸡蛋壳一样被压碎。而对于浮力材料,不仅要求它能承受住这么大的压力,而且要求它的渗水率极低,以保证其密度不变,否则机器人就会沉入海底。

    在高压环境下,耐高水压的动态密封结构和技术也是水下机器人的一项关键技术。机器人上的任何一个密封的电气设备、连接线缆和插件都不能有丝毫渗漏,否则会导致整个部件甚至整个电控系统的毁灭。

    水下6000米机器人下海

    另外,由于无线电波在水中的衰减太快,所以在水中不能使用无线电通信、无线电导航及无线电定位,目前在水中的唯一通信手段是水声技术。但是在水中的声速还不及光速的二十万分之一,在水中声信号的传输率极低,加上声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干扰等,使水声设备的研制更加困难。当前水声通信的距离仅有10公里。如何利用新的信息处理技术研制出精度更高、误码率更低、作用距离更大的水声设备,是水下机器人研究的又一关键技术。随着通信距离的增大,水下机器人应用的范围也将扩大。

    红外照相、遥感及远距离摄影等技术在陆地和空间已成功地应用了,但由于光波在水中的散射、损耗和吸收,它的传播距离大大缩短。目前最好的微光摄像机在最佳的水质中的视距也不过十几米。怎样把水下机器人的“近视眼”变成“千里眼”,还有待水声设备及光学技术的进一步发展。水的密度和粘滞度比空气高得多,海面的风浪涌变幻莫测,海底又是千山万壑、暗流纵横的黑暗世界,机器人在这样复杂的环境中工作真是危机四伏。这使得机器人的航行控制、自我保护、环境识别和建模比航天器更困难。

    水下机器人的回收至今仍是一个没有完全解决的问题,尤其是在深海区的回收更加艰难。

    水的粘度比空气高,使得水下机器人能耗很大。特别是自治水下机器人(AUV),它既不能采用太阳能电池,也没有脐带缆不断地供电,只能靠自带的蓄电池,从而限制了它在水下的工作时间。因此开发应用比能率高的新的能源,将是AUV向远程、大范围作业发展的关键。

    CR-01水下机器人的本体长4.374米,宽0.8米,高0.93米,它在空气中的重量为1305.15公斤,它的最大潜深6000米,最大水下航速2节,续航能力10小时,定位精度10~15米。它是一套能按预订航线航行的无人无缆水下机器人系统,它可以在6000米水下进行摄像、拍照、海底地势与剖面测量、海底沉物目标搜索和观察、水文物理测量和海底多金属结核丰度测量,并能自动记录各种数据及其相应的坐标位置。

    CR-01主要由载体系统、控制系统、水声系统及收放系统四大部分组成。由于它艏部装有垂直推进器和侧移推进器,因而机动性强,自动定向定深快、准、精,为声光探测系统在深水中的稳定性和准确性创造了极其有利的条件。机器人装有长基线声学定位系统和GPS(卫星定位系统),因此系统本体在深水中的运动轨迹清晰,并可通过长基线定位系统对本体实施8道控制命令。系统本体所载传感器和探测系统齐全,可实时记录下温度、盐分、深度等参数。机器人具有多CPU、多级递阶控制结构,能方便地修改及编入程序,可预编程序航行,还可自动记录各种运动和功能及图像参数(黑匣子)。发生局部故障或丧失自航能力时,它能自动抛载上浮至水面,且自动抛起应急无线电发射天线和亮起急救闪光灯。机器人还有独特的回收和释放本体的收放系统。

    CR-01系统的研制成功,使我国具有了对除海沟以外海域进行详细探测的能力。1991年,中国大洋矿产资源研究开发协会被联合国批准为第五个深海采矿的先驱投资者,承担30万平方公里洋底的探测任务,并最终拥有对矿产资源最丰富的7.5万平方公里海域的优先开采权。CR-01为此提供了强有力的技术手段。继1995年8月CR-01在太平洋完成深海功能试验之后,1997年5月20日到6月27日,又进行了历时39天的工程化试验,对太平洋底的多金属结核矿进行了调查。其中6月10日在水下近10小时,海底工作时间6小时,进行了照相、侧扫、浅剖、温盐测量,对机器人进行了遥控,获得大量调查资料,圆满完成预定任务。

    试验表明,CR-01水下机器人的长基线声呐定位系统可报告机器人的深度、高度和航向;机器人可根据水声信道发来的遥控命令上浮、下潜、左转、右转和结束使命等,实现了自治水下机器人从预编程型向监控型的转变。

    水下6000米无缆自治机器人获国家科技进步一等奖,它的主要技术负责人——封锡盛副总师1999年当选为中国工程院院士。


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刘韧锋 本文来源:大科技 作者:0 责任编辑:王晓易_NE0011
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