微小型水下仿生机器人研究现状及发展趋势_王扬威
水下机器人技术的研究与开发
水下机器人技术的研究与开发随着科技的迅猛发展和工业的高速发展，甚至连对海洋资源的需求与利用也日益增长。
尽管人类已经开始大规模地利用海洋资源，但是作为一个被探索程度非常有限的领域，海洋深处还是充满神秘。
水下潜行器与水下机器人技术的研究及应用，大大地丰富和拓宽了我们对海洋的认知。
一、水下机器人技术的发展历程最早的机器人起源于上世纪50年代的美国。
最初的机器人分为指令式机器人和自主式机器人。
指令式机器人又分为有线机器人和无线机器人。
因为大多需要人们操纵，不就无法广泛应用，所以它不能满足人们对机器人的要求，因此，自主式机器人逐渐获得了青睐。
1971年，MIT AUV公司成功地研制出了名为“Manatee”的水下机器人，它可以搭载传感器与微机以实时通信和掌控。
二、水下机器人现状随着科技的不断发展，水下机器人技术逐渐成熟，水下机器人市场也逐渐走上发展的快车道，并广泛应用于军事、科研、开采等领域,迎来了飞速发展的局面。
1、应用于科研领域。
水下机器人被广泛运用于海洋生物、海洋地质等领域的研究。
例如“ALVIN Ⅱ”水下机器人，它可以进行3000米的深度作业，实现人们无法到达的深海资源开采、深海勘测、极端环境等许多领域的开发利用，使我们对海洋有了更为深入的了解。
2、应用于商业领域。
2016年底，我国华能集团与中国科学院合作完成了一艘新型水下维修船——海底机器人，该船采用了一项名为ATM（聚氨酯）技术，在船舶维修中更加节能省时且成本低廉。
得益于华能集团的大力推广，这种船得以在黄海的火电厂和天津港口等地大规模应用。
3、应用于军事领域。
水下机器人的作用不仅仅局限于商业领域和科研领域。
水下机器人成功地应用于军事领域，在智能化、自主化等方面得到了广泛的应用。
比如，“海翼”水下机器人，它的应用包括打捞、侦察、导航等一系列工作，同时，作为一项先进的“准靶”技术，现在已经被美国直接利用于核武器研发与制造上。
三、水下机器人的未来如果说20世纪是人类原始探索之时，21世纪则是日益向深海进军之时。
基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计
０ 引言
进入新世纪以来ꎬ人类开发海洋资源的步伐不断加 快ꎬ各种新型水下探测机器人应运而生ꎮ 传统的基于螺旋 桨的水下推进器ꎬ在推进过程中会产生侧向涡流ꎬ降低推 进效率ꎬ并且会产生较大的噪声ꎬ桨叶易被水草缠绕ꎬ对环 境扰动较大ꎮ 而在长期的自然选择与遗传进化中ꎬ海洋生 物拥有了优异的水下运动能力ꎬ为水下机器人的研究提供 了设计灵感ꎮ 基于生物推进方式的仿生水下机器人在游 动机动性、游 动 效 率 以 及 环 境 扰 动 等 方 面 具 有 较 大 的 优 势[１－２] ꎬ国内外研究人员根据鱼类的游动推进方式已经研 究出了多种水下仿生机器人[３－９] ꎮ
摘 要:以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象ꎬ设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿 生水下机器人ꎮ 在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上ꎬ建立了柔性胸鳍运动的简化模型ꎬ提 出了一种仿生水下机器人设计方案ꎮ 研制了仿生水下机器人样机ꎬ并进行了直线巡游、原地转 弯和动态浮潜游动试验ꎮ 结果表明:在波动频率 ０.８ Ｈｚꎬ鳍条摆角±２０°ꎬ直线巡游单侧波数１.２５ 时ꎬ其游动速度可达 ４５ ｍｍ / ｓꎻ在环形长鳍波数为 ２ 时ꎬ原地转弯的速度可达 ４２.８° / ｓꎻ游动状态 表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动ꎮ 关键词:魟鱼ꎻ环形长鳍ꎻ波动推进ꎻ仿生水下机器人 中图分类号:ＴＰ２４２ 文献标志码:Ａ 文章编号:１６７１￣５２７６(２０１８)０１￣０１６６￣０４
定性较 ＢＣＦ 模式更为出色[１２] ꎬ更适应水下搜救、环境监 测、资源勘查、军事侦察等水下复杂环境下的作业任务ꎮ
本文从鳐科鱼类魟鱼的胸鳍波动运动中获得灵感ꎬ基于 胸鳍波动推进运动的生物学特征分析和运动学模型[６－９] ꎬ提 出一种环状胸鳍波动推进仿生水下机器人的结构与控制系 统设计方案ꎬ并通过游动试验验证了设计的合理性ꎬ展示了环 状胸鳍波动推进方式的优良机动性与稳定性ꎮ
水下机器人的研究现状与发展趋势_彭学伦
水下机器人的研究现状 与发展趋势［摘 要］本文从水下机器人（ＲＯＶ＆ＡＵＶ）的分类入手，对水下机器人的国内外研究现状进行了简要概述，论述了其系统组成及关键技术，并对水下机器人的发展趋势及应用前景进行了探讨。
［关键词］潜航体；探测；水下机器人［作者简介］彭学伦，男，（１９６４～），高级工程师，主要从事水下探测技术研究。
０． 引言水下潜水器分为载人潜水器和无人潜水器两大类。
其中载人潜水器人工操控机动，水下直接观察，便于处理复杂的问题，但人的生命安全危险性大，而且体积庞大、系统复杂、价格昂贵。
无人潜水器就是人们所说的水下机器人，它适于长时间、大范围的水下作业，近２０年来，水下机器人在军事及民用领域有了很大的发展。
随着人类对海洋进一步认识与开发利用，２１世纪它们必将会有更广泛的应用。
按照无人潜水器与水面支持设备（母船或平台）间联系方式的不同，水下机器人可以分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯上把它称为水下遥控运载体（Ｒｅｍｏｔｅｌｙ ＯｐｅｒａｔｅｄＶｅｈｉｃｌｅ）简称ＲＯＶ，ＲＯＶ通过电缆由母船向其提供动力，人在母船上通过电缆对ＲＯＶ进行遥控；另一类是无缆水下机器人，习惯上把它称为水下自主式无人运载体（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ）简称ＡＵＶ，ＡＵＶ自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋予的使命。
有缆机器人都是遥控式的，按其运动方式分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。
无缆水下机器人只能是自治式的，按规划的航线自航执行任务，它的发展前景光明，代表了水下机器人的发展方向。
１． 水下机器人系统组成水下机器人是一个复杂的无人系统，用以代替人类进行复杂、艰苦甚至危险的工作，它涉及到电子、计算机、流体、结构、材料、液压、水声、光学、电磁、导航控制等多门学科，体现了一个国家的综合技术力量和水平。
中国船舶重工集团公司第七一Ｏ研究所o 彭学伦水下机器人的组成从结构上可划分为水面指控系统和水下潜航体两大部分。
水下机器人发展现状ROV
水下机器人发展现状ROV首先，水下机器人的类型多样化。
根据任务需求，水下机器人被分为两大类：自主型和遥控型。
自主型水下机器人具备自主感知、决策和执行任务的能力，可以独立完成任务。
遥控型水下机器人由人类操纵者通过遥控设备进行操控。
自主型水下机器人在水下勘探和科学研究领域得到广泛应用，而遥控型水下机器人在水下修理和勘探领域应用更加广泛。
其次，水下机器人的能力不断提升。
随着科技的进步，水下机器人的传感器、控制系统和机械设计方面取得了重大突破。
现代水下机器人能够搭载各种高精度传感器，如声纳、摄像头和激光扫描仪等，以感知和获取水下环境的信息。
在控制系统方面，水下机器人通过自主路径规划、障碍物避障和目标定位等技术，能够自主决策和执行任务。
此外，水下机器人的机械设计也越来越先进，可以适应各种极端环境条件，如高压、低温和湿度等。
第三，水下机器人在海洋科学研究方面有了广泛应用。
水下机器人可以深入海洋深处，进行海洋环境的探测和研究。
它们可以收集海洋水质数据、气象数据和水下生物数据，为海洋科学家提供重要的研究材料。
例如，研究人员可以利用水下机器人在极地海域进行科考，收集海底地形、海洋生物和冰层厚度等数据，以了解全球气候变化和海洋生态系统的运作。
第四，水下机器人在海洋勘探和资源开发方面发挥着重要作用。
水下机器人可以进行海底油气勘探和深海矿产勘探等任务。
它们可以在海底沉积物中矿藏，进行矿产勘查和挖掘。
此外，水下机器人还可以在海底管道和海洋基础设施的安装和维修等任务中发挥重要作用。
这些应用使得水下机器人在海洋资源开发中的地位日益重要。
总之，水下机器人的发展取得了显著进展。
随着科技的不断进步和需求的增加，水下机器人的类型多样化，能力不断提升，并在海洋科学研究、海洋勘探和资源开发等领域发挥着重要作用。
未来，随着技术的不断突破，水下机器人将发挥更大的潜力，为人类探索和利用海洋资源做出更大的贡献。
水下机器人发展现状
水下自动机器人是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。
在军事上，水下自动机器人亦是一种有效的水中兵器。
与载人潜水器相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。
而与遥控水下机器人（ROV ）相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。
水下自动机器人代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点.我们可以通过大量的国际会议了解到当前国际上水下机器人研究发展的这种趋势。
更深——向深海发展地球上97%的海洋深度在6000 米以上，称之为深海。
研制6000 米的潜水器是许多国家的目标。
美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000 米级的AUV。
尽管ROV 和载人潜器也能达到这个深度，但发展水下自动机器人比其它潜器的造价要低得多，更经济。
更远——向远程发展水下自动机器人的分类方法有几种，其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。
所谓远程是指水下自动机器人一次补充能源连续航行超过100 海里以上，而小于100海里称为近程。
远程水下自动机器人涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。
因此，许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作，以期获得突破性的进展。
也只有在上述关键技术解决后，才能保证远程AUV 计划的实施。
功能更强大——向作业型及智能化方向发展现阶段的水下自动机器人只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也不高。
将来的水下自动机器人将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。
还要在水下自动机器人上安装水下机械手，使水下自动机器人具有作业能力，这是一个长远的目标。
基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计
基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人设计闫勇程;王扬威;兰博文;赵东标【摘要】This paper takes bottom-living stingrays swimming in rajiform as bionic objects to design an underwater bionic robot based on annular long-fin undulating propulsion and on the basis of analyzing its pectoral muscle and skeletal structure,establishes a sim-plified model of the flexible pectoral fin movement,presents an underwater bionic robot design scheme and then,develops a proto-type of the an underwater bionic robot and tests its straight line-tracking,spot turn and dynamic snorkeling movement.Results indi-cate that its swimming velocity can reach 45 mm/s when undulation frequency, pterygiophore angle of swing and unilateral wave number of straight line-tracking are 0.8 Hz,±20° and 1.25 respectively.In addition,if the annular long-fin wave number is 2,velocity for spot turn is able to reach 42.8°/s.The state of the swimming shows that the stability and mobility of the bionic prototype swimming movement depends on the annular long fin.%以鳐科模式游动的底栖鱼类魟鱼为仿生对象,设计了一种基于环形长鳍波动推进的仿生水下机器人.在分析其胸鳍肌肉和骨骼结构的基础上,建立了柔性胸鳍运动的简化模型,提出了一种仿生水下机器人设计方案.研制了仿生水下机器人样机,并进行了直线巡游、原地转弯和动态浮潜游动试验.结果表明:在波动频率0.8 Hz,鳍条摆角±20°,直线巡游单侧波数1.25时,其游动速度可达45 mm/s;在环形长鳍波数为2时,原地转弯的速度可达42.8°/s;游动状态表明仿生样机依靠环形长鳍能实现高稳定性和高机动性的游动运动.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】4页(P166-169)【关键词】魟鱼;环形长鳍;波动推进;仿生水下机器人【作者】闫勇程;王扬威;兰博文;赵东标【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TP2420 引言进入新世纪以来，人类开发海洋资源的步伐不断加快，各种新型水下探测机器人应运而生。
水下机器人在渔业中的应用现状与关键技术综述
3、近岸作业
在近岸作业方面，水下机器人可以协助渔民进行底播、海参养殖、珊瑚移植 等工作。此外，水下机器人还可以用于海滩清洁和海龟保护等方面，提高渔业生 产的可持续性。
水下机器人的关键技术
在渔业应用中，水下机器人涉及的关键技术主要包括以下几个方面：
1、机器人设计
机器人设计是水下机器人应用的基础。在渔业中，水下机器人需要具备一定 的抗风浪能力、长久续航、快速部署等特点。因此，在机器人设计过程中，需要 充分考虑水下环境的恶劣条件，确保机器人的稳定性和可靠性。
水下机器人在渔业中的应用现状与 关键技术综述
01 引言
目录
02
水下机器人的应用现 状
03
水下机器人的关键技 术
04 未来发展趋势与展望
05 参考内容
随着科技的不断发展，水下机器人已经成为海洋渔业中越来越重要的工具。 本次演示将概述水下机器人在渔业中的应用现状，以及在应用过程中所涉及的关 键技术，最后对未来的发展趋势进行展望。关键词：水下机器人，渔业，应用现 状，关键技术，发展趋势。
1、高性能的水下机器人将不断涌现，为实现更高效、精准的作业提供技术 保障。
2、水下机器人将与人工智能等技术深度融合，实现更智能化的决策Байду номын сангаас控制。
3、水下机器人将在保护海洋生态、海洋资源勘探等领域发挥更大的作用， 成为实现海洋可持续发展的重要工具。结论
本次演示对水下机器人在渔业中的应用现状与关键技术进行了综述。目前， 水下机器人在渔业中的应用主要体现在渔业捕捞、深海养殖和近岸作业等方面， 涉及的关键技术包括机器人设计、感知系统、推进系统和控制系统等。随着科技 的不断发展，未来的水下机器人将具备更高的性能、更强的智能化和更广泛的应 用领域。
海洋技术▏水下微小无人机集群发展综述
海洋技术▏水下微小无人机集群发展综述水下无人机的工作模式可分为单体模式和集群模式。
单体工作模式的水下无人机（也被称为水下机器人）功率大、航速大、航程远，携带的任务执行器、传感器、通讯定位器件多，功能全面，自动化程度高，已经在海防、水底搜救、水文勘测、故障排查等领域有了广泛的应用。
但单体水下无人机也存在不足，如：功耗大，需具备强大的能源装置；鲁棒性不强，一旦部件发生故障则任务执行失败；造价昂贵，不适合大批量集群布局；体积大带来隐蔽性差、渗透性不好；要求水下长距离通讯，增大了通讯及定位难度。
近些年来，国内外重视开展了水下微小无人机集群技术的研究。
水下微小无人机集群通常由几十上百个个体组成，每个个体体积小、功耗低、功能单一、造价便宜。
工作时，个体之间分散布局在一个较大的水域，形成水下三维空间大区域的覆盖。
个体在集群中的分工明确、协同工作，非常适合在指定区域进行快速水文搜集、定点通讯中继、水下故障排查等水下工作。
采用集群工作方式具有很大的鲁棒性，系统冗余特性能确保个体出现问题但不影响集群的整体工作。
集群模式下的水下无人机个体小，具有很好的隐蔽性和渗透性，不易被发现。
由于每个个体都可以作为通讯中继，因此集群可实现较远距离的无线水下通讯。
集群模式下可具备集群智慧。
自然界中的鱼群在捕食、迁徙或是躲避敌害时常常会呈现集群行为模式。
个体的行为主要由吸引力和排斥力的合力决定，当吸引力和排斥力相抵消的时候，生物界称之为“平衡距离”。
个体依靠其广角视觉和敏感的侧线系统，可以获得高度同步的速度和方向。
在集群智慧作用下，集群模式可协力更好地完成个体模式实现不了的强大任务。
水下微小无人机集群虽然具有诸多优势，但也存在明显的不足，如：驱动力有限，易受水流的影响而失去控制；须有及时的能量补充等。
当前，国内外针对水下微小无人机集群开展的研究工作还是起步阶段，本文针对这些工作及进展进行综述，以供决策参考。
一、水下微小无人机集群的应用地球陆地面积占地表面积的29%，剩余的71%为水域面积。