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    歷史性突破——水下6000米無纜自治機器人

      1997年6月,在煙波浩渺的太平洋,中國的“大洋1號”考察船停泊在夏威夷以東1000海里的海面上,5000噸的考察船就像一片樹葉似地,時而被海浪推上波峰,時而又拋到波谷?疾齑系娜藗內淌苤鴶z氏40度的高溫,站在搖晃的甲板上俯視著海面,正在焦急地等待著、尋找著什么!翱!上來了”,有人喊道。順著手指的方向人們看到了一個貌似魚雷的家伙浮出了水面,這正是人們急切盼望的“CR-01” 6000米水下機器人。

    “探索者號”水下1000米機器人

      科學家們從機器人的機艙里取出一面鮮艷的五星紅旗,是它伴隨著機器人潛入5179米的太平洋海底。五星紅旗迎著海風飄揚,它向世人宣告,中國的6000米自治水下機器人的工程試驗獲得了成功,它是我國成功發射的第一顆“返回式海底衛星”,標志著我國自治水下機器人的研制水平已跨入世界領先行列。

      世界上第一臺無人潛水器"Poodle"誕生于1953年,迄今已有45年的歷史。最初的20多年發展緩慢。70年代,隨著海上石油開采的興起,水下機器人的發展掀起了高潮。這一時期開發出一批能在不同深度、可進行多種作業的機器人。它們可用于石油開采、海底礦藏調查、打撈作業、管道鋪設及檢查、電纜鋪設及檢查、海上養殖以及江河水庫大壩的檢查等方面。估計目前世界上已研制成的遙控水下機器人(ROV)在1000臺以上。

    “探索者號”入海

      中國機器人的發展起步較晚,它能有今天的成就與蔣新松院士的杰出貢獻是分不開的。1980年他提出“結合中國國情,把特殊環境下工作的機器人作為中國機器人技術發展的突破口”的設想,并提出把“智能機器人在海洋中的應用”作為研究重點,選擇“海人1號”作為發展水下機器人的具體目標!昂H1號”先后于1985及1986年獲得首航及深潛試驗的成功,技術上達到80年代世界同類產品的水平。

      1986年863計劃實施之前,我國研制的都是有纜遙控水下機器人,工作深度僅為300米。在863計劃精心組織下,經過6年的艱苦努力研制出兩臺先進的無纜水下機器人。1994年“探索者”號研制成功,它工作深度達到1000米,甩掉了與母船間聯系的電纜,實現了從有纜向無纜的飛躍。從1992年6月起,與俄羅斯科學院海洋技術研究所合作,以我方為主,開始研制6000米無纜自治水下機器人。1995年8月, CR-01 6000米無纜自治水下機器人研制成功,使我國機器人的總體技術水平躋身于世界先進行列,成為世界上擁有潛深6000米自治水下機器人的少數國家之一。

    水下6000米無纜自治機器人

      在海洋中,每下潛100米就增加10個大氣壓,這就要求機器人上的每一個部件都必須能承受住這么大的壓力而不變形、不破壞。6000米洋底的壓力高達600個大氣壓,在這么高的壓力下,幾毫米厚的鋼板容器會像雞蛋殼一樣被壓碎。而對于浮力材料,不僅要求它能承受住這么大的壓力,而且要求它的滲水率極低,以保證其密度不變,否則機器人就會沉入海底。

      在高壓環境下,耐高水壓的動態密封結構和技術也是水下機器人的一項關鍵技術。機器人上的任何一個密封的電氣設備、連接線纜和插件都不能有絲毫滲漏,否則會導致整個部件甚至整個電控系統的毀滅。

    水下6000米機器人下海

      另外,由于無線電波在水中的衰減太快,所以在水中不能使用無線電通信、無線電導航及無線電定位,目前在水中的唯一通信手段是水聲技術。但是在水中的聲速還不及光速的二十萬分之一,在水中聲信號的傳輸率極低,加上聲波在水中的散射、傳輸的損耗以及回波的干擾等,使水聲設備的研制更加困難。當前水聲通信的距離僅有10公里。如何利用新的信息處理技術研制出精度更高、誤碼率更低、作用距離更大的水聲設備,是水下機器人研究的又一關鍵技術。隨著通信距離的增大,水下機器人應用的范圍也將擴大。

      紅外照相、遙感及遠距離攝影等技術在陸地和空間已成功地應用了,但由于光波在水中的散射、損耗和吸收,它的傳播距離大大縮短。目前最好的微光攝像機在最佳的水質中的視距也不過十幾米。怎樣把水下機器人的“近視眼”變成“千里眼”,還有待水聲設備及光學技術的進一步發展。水的密度和粘滯度比空氣高得多,海面的風浪涌變幻莫測,海底又是千山萬壑、暗流縱橫的黑暗世界,機器人在這樣復雜的環境中工作真是危機四伏。這使得機器人的航行控制、自我保護、環境識別和建模比航天器更困難。

      水下機器人的回收至今仍是一個沒有完全解決的問題,尤其是在深海區的回收更加艱難。

      水的粘度比空氣高,使得水下機器人能耗很大。特別是自治水下機器人(AUV),它既不能采用太陽能電池,也沒有臍帶纜不斷地供電,只能靠自帶的蓄電池,從而限制了它在水下的工作時間。因此開發應用比能率高的新的能源,將是AUV向遠程、大范圍作業發展的關鍵。

      CR-01水下機器人的本體長4.374米,寬0.8米,高0.93米,它在空氣中的重量為1305.15公斤,它的最大潛深6000米,最大水下航速2節,續航能力10小時,定位精度10~15米。它是一套能按預訂航線航行的無人無纜水下機器人系統,它可以在6000米水下進行攝像、拍照、海底地勢與剖面測量、海底沉物目標搜索和觀察、水文物理測量和海底多金屬結核豐度測量,并能自動記錄各種數據及其相應的坐標位置。

      CR-01主要由載體系統、控制系統、水聲系統及收放系統四大部分組成。由于它艏部裝有垂直推進器和側移推進器,因而機動性強,自動定向定深快、準、精,為聲光探測系統在深水中的穩定性和準確性創造了極其有利的條件。機器人裝有長基線聲學定位系統和GPS(衛星定位系統),因此系統本體在深水中的運動軌跡清晰,并可通過長基線定位系統對本體實施8道控制命令。系統本體所載傳感器和探測系統齊全,可實時記錄下溫度、鹽分、深度等參數。機器人具有多CPU、多級遞階控制結構,能方便地修改及編入程序,可預編程序航行,還可自動記錄各種運動和功能及圖像參數(黑匣子)。發生局部故障或喪失自航能力時,它能自動拋載上浮至水面,且自動拋起應急無線電發射天線和亮起急救閃光燈。機器人還有獨特的回收和釋放本體的收放系統。

      CR-01系統的研制成功,使我國具有了對除海溝以外海域進行詳細探測的能力。1991年,中國大洋礦產資源研究開發協會被聯合國批準為第五個深海采礦的先驅投資者,承擔30萬平方公里洋底的探測任務,并最終擁有對礦產資源最豐富的7.5萬平方公里海域的優先開采權。CR-01為此提供了強有力的技術手段。繼1995年8月CR-01在太平洋完成深海功能試驗之后,1997年5月20日到6月27日,又進行了歷時39天的工程化試驗,對太平洋底的多金屬結核礦進行了調查。其中6月10日在水下近10小時,海底工作時間6小時,進行了照相、側掃、淺剖、溫鹽測量,對機器人進行了遙控,獲得大量調查資料,圓滿完成預定任務。

      試驗表明,CR-01水下機器人的長基線聲吶定位系統可報告機器人的深度、高度和航向;機器人可根據水聲信道發來的遙控命令上浮、下潛、左轉、右轉和結束使命等,實現了自治水下機器人從預編程型向監控型的轉變。

      水下6000米無纜自治機器人獲國家科技進步一等獎,它的主要技術負責人——封錫盛副總師1999年當選為中國工程院院士。

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