第3章水下机器人3.1水下机器人发展与分类
水下机器人技术的发展
水下机器人技术的发展随着科技的不断进步，人们对水下机器人技术的需求越来越多。
水下机器人技术主要应用于海底勘探、水下工程、水下考古、水下科学研究等领域，对人类社会的发展起到了十分重要的作用。
本文将从水下机器人技术的发展历程、目前的应用领域、未来的发展方向等几个方面来探讨这一话题。
一、水下机器人技术的发展历程水下机器人技术的起源可以追溯到上世纪50年代。
当时，美国开始了一个名为“蒸汽笛号”（Whale）的水下探测计划，旨在开发一种能够在水下执行任务的机器人。
这项计划最终成功地研制出了第一代水下机器人“万能号”（Man-in-the-Sea）。
自此之后，水下机器人技术开始逐步发展起来。
在过去的几十年，水下机器人技术得到了长足的进展。
特别是在海底石油勘探、水下考古、水下维修等领域，水下机器人已经成为了不可缺少的工具。
据统计，截至2018年，全球已经有超过4000台水下机器人投入使用，其中包括了着名的“深渊探测器”、“探索”号以及“革命”号等。
二、目前的应用领域目前，水下机器人技术的应用领域非常广泛。
以下是一些主要的应用领域。
1.海洋资源勘探水下机器人技术在海洋资源勘探方面有着广泛的应用。
通过使用水下机器人，人们可以快速检测出海中地形的变化、水下矿床及海洋生物的分布情况，为海洋资源开发提供了重要的数据支持。
2.水下工程水下机器人技术在水下工程方面也有着十分广泛的应用。
使用水下机器人可以避免人员直接下潜的危险性，同时可以大大提高工作效率。
当前，水下机器人在海底油井维修、水下管道铺设、水下桥梁安装等方面的应用越来越广泛。
3.水下考古水下机器人技术也可以应用于水下考古领域。
通过使用水下机器人，可以对古代遗址、沉船遗址等进行三维扫描，提取详细的数据，同时也可以大大降低人员的安全风险。
4.水下科学研究水下机器人在水下生物研究、海洋环境监测、海底地质研究等方面也有着重要的应用价值。
比如，水下机器人可以用来探测深海生物、水下火山的分布情况等等。
水下机器人的发展现状
水下的发展现状水下的发展现状1：引言近年来，随着科技的迅猛发展，水下成为了人们关注的焦点之一。
水下的应用领域日益广泛，已经在海洋探测、海底工程、科学研究、潜水救援等方面发挥着重要作用。
本文将对水下的发展现状进行详细介绍。
2：水下的定义水下是指能够在水下环境中执行各种任务的系统。
它们通常由机械、电子、控制和传感器等多个部分组成，具备自主水下移动、感知环境、执行任务等功能。
3：水下的分类3.1 依据使用环境分类a) 海洋水下：用于海洋探测、海底工程等任务。
b) 淡水水下：用于淡水湖泊、河流等环境中的任务。
3.2 依据任务类型分类a) 作业水下：用于进行各类作业任务，如海底设施维修、潜水救援等。
b) 科学研究水下：用于科学研究和探测任务，如海洋生态研究、地质勘探等。
c) 军事水下：用于军事侦察、水下作战等军事任务。
4：水下的技术现状4.1 机械设计技术水下的机械设计包括结构设计和材料选择，以满足其在水下环境下的稳定性、耐压性和灵活性等要求。
4.2 电子与控制技术水下的电子与控制技术包括电路设计、控制算法和通讯系统等。
这些技术的发展使得水下能够自主感知环境、进行路径规划和执行任务。
4.3 传感器技术水下利用各类传感器获取环境信息，如水下声纳、水下摄像头、水下压力传感器等。
这些传感器的精度和可靠性的提高，为水下的任务执行提供了重要支持。
4.4 电力与能源技术水下通过电力设备和能源系统驱动其运动和任务执行。
电力与能源技术的进展使得水下能够增加自主工作时间和减少对外部能源的依赖。
5：水下的应用领域5.1 海洋科学研究水下在海洋科学研究中发挥着重要作用，可以进行海底地质、海洋生态等方面的研究和勘测。
5.2 海洋资源勘探与开发水下可用于海底矿产资源的勘测、深海油气田的勘探和海底管道的敷设。
5.3 海洋安全与救援水下在海洋灾害和潜水救援中发挥着重要作用，可以进行海洋灾害预警、救援物资运输等任务。
5.4 水下文化遗产保护水下可用于海洋文化遗产的探测和保护，如沉船考古、海底古城勘测等。
【课件】水下机器人ROVppt
3.1.1 概述
水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过 遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去 完成水下作业任务的装置。
水下机器人具有四个基本特点。
(1)可移动性 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性 (3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业 3.1.2 水下机器人分类及用途
制系统、电缆等构成
目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采 用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术， 更形象化地实现对ROV的控制。
任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因 素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复 杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解 脱这种束缚是各国水下机器人专家追求的目标，这就是自治水 下机器人AUV技术得以发展的理由。
3.3.2 控制方法 底层控制 高层控制
3·3·3 控制系统结构及发展
有缆水下机器人和无绳水下机器人的控制技术既有相同之处， 也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角 度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。
有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分:
3.1.5 水下机器人关键技术
①能源技术
②精确定位技术
③零可见度导航技术
④材料技术
⑤作业技术
⑥声学技术
⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式 ③动力供给 ④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术
3.3 水下机器人控制 3.3.1 控制基本类型
水下机器人发展概述
水下机器人发展概述1水下机器人发展背景在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。
地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为3.6亿平方公里。
地球表面积的71%被海洋所覆盖。
在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引了无数科学家、探险家为之探索。
从远古时代起，人们就泛舟于海上。
从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进行探察。
20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。
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。
人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。
另一个重要原因是，占地球表面积49％的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。
但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。
因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。
水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。
２水下机器人的定义与分类２．１水下机器人的定义与概述水下机器人也称作无人水下潜水器（ｕｎｍａｎｎｅｄｕｎｄeｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＵＵＶ），它并不是一个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。
水下机器人技术的发展与应用
水下机器人技术的发展与应用一、引言随着科学技术的不断发展，水下机器人已经成为人类探测水下世界的必备工具之一。
水下机器人技术的发展不仅对科学探索和水下作业有重大贡献，更为全球人类的生态环境保护和资源开发做出了突出的贡献。
本文将从水下机器人的技术分类、发展历程及应用领域三个方面进行分析和阐述。
二、水下机器人技术分类按照用途和结构的不同，水下机器人可以分为数种类型：1. 自主水下机器人自主水下机器人是指一种以自主控制为基础的水下机器人，它可以根据计算机内预先输入的指令独立的完成一定的工作和任务。
其结构主要包括浮子、动力系统、推进系统、程序控制系统、传感器和执行机构等部分。
2. 电缆水下机器人电缆水下机器人是指在水下使用外界电力源作为动力来推进机器人，在机器人与地面之间通过电缆进行通讯和控制。
其结构主要包括电缆、控制盒、传感器和执行机构等部分。
3. 联机水下机器人联机水下机器人是指一种通过地面上的计算机进行控制的水下机器人。
其主要结构包括机器人本体、通讯设备、执行器和备件等部分。
三、水下机器人技术发展历程1. 机械臂水下机器人机械臂水下机器人是在水下操纵机器人方面一项关键性的技术，早在上世纪六十年代就已经出现。
1986年，美国威斯康星大学研制出具有六个自由度的ROV水下机器人，并成功完成了海底地质勘探工作。
2. 自主水下机器人自主水下机器人是近年来发展最快的水下机器人之一，具备较高的自主性和智能化水平。
中国科学院成功研制出了具备红外测距、抓取等功能的自主水下机器人。
3. 深海水下机器人深海水下机器人是指能够在海水深度较深的环境中工作的水下机器人。
1986年，美国研制成功了具有数控技术的深海水下机器人，并利用它在海底进行了许多的探索工作。
四、水下机器人技术应用领域1. 科学探索水下机器人可以在世界范围内进行海洋生物和海底地震的研究工作。
使用水下机器人，科学家们可以在海底收集化石、岩石和生物样本，并且能够观察洋底地形、地质分布、沉积物等等。
水下机器人技术的发展与应用
水下机器人技术的发展与应用水下机器人技术是一种新兴的技术，它可以在水下进行各种任务，从而提高了人类的生产力和效率。
随着科学技术的不断进步，水下机器人技术的发展也越来越快速。
本文将介绍水下机器人技术的发展与应用方向，以及未来的发展趋势。
一、水下机器人技术的发展1.1起源早期的水下机器人主要用于海洋地质勘探、海水监测等工作，最早的水下机器人可以追溯到上世纪60年代，当时主要用于某些国家的海军或商业用途。
在1971年，美国的Wooster公司研发出了第一代水下机器人ARGO，该机器人使用了各种新兴的技术，如电池动力、遥控器和声纳探测等。
自此之后，水下机器人的研发越来越迅速，并且出现了更加先进的水下机器人。
1.2发展趋势随着科学技术的不断进步，水下机器人逐渐成为了科技领域的重要组成部分。
在过去的几十年中，水下机器人的种类和功能已经发生了很大变化。
现在不仅可以在深海中进行勘探和科学研究，还可以用于搜索和救援、港口工作、深水钻井、海洋工程以及海底管道的维修和安装任务等，并且在未来将会有越来越多的应用场景。
二、水下机器人技术的应用2.1科学探测水下机器人在科学探测中的应用是其中之一。
它可以用于海洋生物学研究、地质研究和海洋环境监测等领域。
例如，水下机器人可以用来研究深海生物，并进行深海地质与海底热液的研究。
同时，它还可以在环境监测中，进行海水的监测与数据传输，可以帮助人们更好地保护海洋环境。
2.2海洋工程水下机器人在海洋工程领域中也有广泛应用。
例如，针对深海油气资源的开采，水下机器人可以完成包括设备运输、设备安装以及故障维修等多项任务。
同时，在海洋风电、海洋港口、海底隧道、海洋矿业等领域也有着广泛的应用。
2.3水下考古和寻宝水下机器人在水下考古和寻宝方面也有广泛的应用。
例如，可以利用水下机器人发掘沉船遗址、寻找失落的宝藏和航班残骸等，这对于历史、文化遗产等的研究有极大的帮助。
2.4海洋生物监测水下机器人还可以用于海洋生物监测。
水下机器人ROV讲课教案
3.1.1 概述
水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过 遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去 完成水下作业任务的装置。
水下机器人具有四个基本特点。 (1)可移动性 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性 (3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业 3.1.2 水下机器人分类及用途
常规的传感器包括：
成像声纳、罗盘、深度压力 传感器、高度计等。
水下计算机、驱动器、控制模块，
水下电子单元包括：
安装在常压的密封仓内。
动力、压力、温度、漏
系统监视所需要的传感元件包括:。
水等
b.中继器 c.吊放系统
为了能迅速、准确地将潜水器送到预定 工作水深和较快地收回到水面，同时为 了减弱母船摇摆及脐缆所受海流阻力给 潜水器运动和作业带来的附加阻力、干 扰和影响，一般有缆遥控水下机器人配 置中继器。中继器内储存系缆，并装有 系缆驱动收放机构，潜水器非工作状态
施，所有电气设备都需满足 船用电气设备的规范要求。
b·通讯系统 为水下机器人系统 的各个工作站点 (控制间、水面 设备、船长室)提供有线或无线
的通讯联系。
(5)中继器系统
中继器 (TMS)是有缆遥控水下机器人系统的重要设备之一。为 保持水下机器人本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和 可操作控制性，在本体与吊放系统之间设置中继器。中继器直接由 皑装主缆吊放，在中继器与潜水器之间由具有中性浮力的系缆连接， 这样既消除皑装主缆、母船的升沉、纵倾和横摇等对它的影响，也 减少了本体推进系统所需功率，充分地发挥其本身的最大效率。
到吊放钢缆的作用，
水下机器人的分类
水下机器人的分类水下机器人是一种能够在水中进行活动和工作的机器人，具有各种不同的用途和特点。
根据其功能和特点，可以将水下机器人分为以下几类：1.深海机器人深海机器人是一种能够在深海环境中进行工作和探索的机器人。
它们能够承受极高的水压，同时具有相应的探测和采集能力。
深海机器人包括深潜机器人和ROV （Remotely Operated Vehicle）机器人。
深潜机器人有着更高的自主性和可扩展性，能够完成更加复杂的任务，比如进行科学探测、执行维护任务、进行勘探和采集等。
ROV机器人则通常需要由潜水员远程操作来完成任务，比如进行海底施工、进行海底勘探、响应事故和紧急救援等。
2.水下作业机器人水下作业机器人主要用于海洋工程，能够执行各种需要在水下进行的任务，比如进行海底管道维修、进行海底设备安装、进行水下切割和焊接等。
水下作业机器人通常分为两类，一类是缆索式机器人，用缆索将其与操作柜台连接；一类是自主机器人，可以进行自主行动和工作。
3.潜水机器人潜水机器人是一种能够在水下进行探测、采集、拍摄等任务的机器人。
潜水机器人通常采用电池和燃料电池，能够在水下进行较长时间的操作。
潜水机器人通常分为两种，一种是自主机器人，能够对周围环境做出反应，进行自主移动、探测和拍摄等任务；另一种是远程操控机器人，通过操控器和通讯设备与控制终端进行通讯，实现在水下执行任务。
4.水下机器人器材分类水下机器人在进行各种任务时，还需要搭载不同的器材和传感器，以便实现更加复杂的任务。
这些器材和传感器通常包括摄像头、水下激光仪、声纳、水下定位仪、探测器等。
总之，水下机器人在海洋科学和工程领域中有着广泛的应用前景，可以为人类探索和利用深海等水下领域带来更多的可能性。
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AUV可分为预 编程型和智能型 智能型AUV则具有在未知环境申建立环境模型、 根据模型重新决策和规划的能力。这种机器人比 较复杂，是当前学术界研究的重点。 ROV控制
预编程型AUV控制
智能型AUV控制
3.4 有缆遥控水下机器人 3.4.1 系统组成
有缆遥控水下机器人通常由水下潜水器本体、 中继器、零浮力脐带缆、水上吊放系统、绞车系统、 铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成
(1)水下机器人本体 a. 潜水器 潜水器是携带观察和作业工具设备的运动载体。在开式框 架结构件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为 零; 在水平、侧向和垂直方向都装有推进器，从而可实现三维 空间的运动。框架前部或必要的地方安置云台，在其上装有电 视摄像机和照明灯。 成像声纳、罗盘、深度压力 常规的传感器包括： 传感器、高度计等。 水下电子单元包括： 水下计算机、驱动器、控制模块， 安装在常压的密封仓内。
3.1.5 水下机器人关键技术 ①能源技术 ②精确定位技术
③零可见度导航技术
④材料技术
⑤作业技术
⑥声学技术 ⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式
③动力供给
④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术 3.3 水下机器人控制 3.3.1 控制基本类型 遥控型水下机器人 自治型水下机器人 监控型水下机器人 3.3.2 控制方法 底层控制 高层控制
e.皑装主缆 在运动载体上安装摄像机、成像声纳，构成载 体的基本系统。在需要作业时，可再加装1--2 水下机械手和多种水下作业工具。
f.观察作业设备
g. 控制间
内放控制台及供电设备，简单维修设备等。它是水 下载体的驾驶、监视、操作、指挥中心。 a. 潜水器 b.中继器
水 下 机 器 人 本 体
c.吊放系统 d. 系缆 e.皑装主缆 f.观察作业设备 g. 控制间
3·3·3 控制系统结构及发展
有缆水下机器人和无绳水下机器人的控制技术既有相同之处， 也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角 度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。 有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分:
水上控制设备 水上控制设备的功能是监视和 操作水下载体，并向水下载体 提供所需的动力 水下控制设备的功能则是执行水面 的命令，产生需要的运动以完成给 定的作业使命 脐带电缆用来传递信息 和输送动力
(2) 控制系统 有缆遥控水下机器人的控制系统通常由水面控制、水下控 制、信息采集、信号传输、执行机构控制等儿个部分组成。 (3) 传感器 a· 监视系统 主要指用于水下机器人水下 搜索和水下观察的设备，一般包括有水下 摄像机、云台及照明、成像声纳、声学和 磁学定位系统等。
b· 监控系统 主要指介人水下机器人 运动控制和保障系统正常运行所需 要的传感设备，一般包括有深度计、 高度计、方向罗盘、温度、压力、 电压电流等。
动力、压力、温度、漏 系统监视所需要的传感元件包括:。 水等
b.中继器
Байду номын сангаас
为了能迅速、准确地将潜水器送到预定 工作水深和较快地收回到水面，同时为 了减弱母船摇摆及脐缆所受海流阻力给 潜水器运动和作业带来的附加阻力、干 扰和影响，一般有缆遥控水下机器人配 置中继器。中继器内储存系缆，并装有 系缆驱动收放机构，潜水器非工作状态 时将与中继器联锁在一起。
第 3 章 水下机器人
3.1 水下机器人发展与分类
3.1.1 概述 水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过 遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去 完成水下作业任务的装置。
水下机器人具有四个基本特点。
(1)可移动性 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性 (3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业 3.1.2 水下机器人分类及用途
(5)中继器系统
中继器 (TMS)是有缆遥控水下机器人系统的重要设备之一。为 保持水下机器人本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和 可操作控制性，在本体与吊放系统之间设置中继器。中继器直接由 皑装主缆吊放，在中继器与潜水器之间由具有中性浮力的系缆连接， 这样既消除皑装主缆、母船的升沉、纵倾和横摇等对它的影响，也 减少了本体推进系统所需功率，充分地发挥其本身的最大效率。
(4)动力及通讯 传输系统 a· 动力系统 为水下机器人水 上设备 (水面控制单元、控制 间、维修间、水面设备)和水 下设备 (中继器、水下机器人 本体)提供动力分配及保护措 施，所有电气设备都需满足 船用电气设备的规范要求。
b· 通讯系统 为水下机器人系统 的各个工作站点 (控制间、水面 设备、船长室)提供有线或无线 的通讯联系。
c.吊放系统 用以投放、回收中继器和潜水器。吊放系 统通常采用门形结构、液压驱动，并设有 消摆机构和脐带电缆的储存。
用于潜水器和中继器之间机械软连接及能源馈送和信息 传输。系缆套穿浮力材料以使其在水中为零浮力，从而 减小水流阻力对本体的干扰。 d. 系缆
在吊放架与中继器之间完成机械软连接、能源输送、 信息传输的作用。它是钢丝皑装结构，以便同时起 到吊放钢缆的作用，
AUV的控制问题涉及到许多方面
如机器视觉、环境建模、决策规划、回 避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变 换、动力学计算、多变量控制、导航、 通讯、多传感器信息融合以及包容上述 内容的计算机体系结构等 AUV可分为预 编程型和智能型
预编程型是指AUV在完成使 命的过程中完全执行预定的程序， 在机器人下水前，操作人员根据 使命需求，采用专门的语言编制 使命程序，并将使命程序下装到 机器人上的控制计算机中
水下控制设备
脐带电缆
ROV控制系统由
航行控制系统、导航定位系统、 信息采集系统、观察系统、作业 设备控制系统、水面支持设备控 制系统、电缆等构成
目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采 用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术， 更形象化地实现对ROV的控制。 任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因 素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复 杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解 脱这种束缚是各国水下机器人专家追求的目标，这就是自治水 下机器人AUV技术得以发展的理由。