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自主式水下航行器的发展概况
摘要
自动水下航行器的特点是使用最先进的技术，例如功能强大的嵌入式控制器，大量传感器以及先进的机器人系统。从早期建造水下航行器到最新的发展，人们对这些海洋平台的潜在应用越来越感兴趣。
海洋学家，石油公司甚至海军协会都发现自主水下航行器有机会探索最深的部分海洋。这种日益增长的兴趣引发了世界各地设计和开发无人水下航行器的各种努力。
本文的目的是描述和总结使用自主系统进行海洋勘探的好处，挑战和风险。此外，本文还介绍了自主水下系统正常运行所涉及的主要组件。
类别和主题描述符
C.3 [专用和基于应用系统]：实时和嵌入式系统；1.2.9 [机器人]：自主航行器
一般条款
设计，实验，理论
关键词
自主水下航行器，遥控水下航行器，水下导航与控制，水下机器人，水下潜航者，
任务规划，电源
1.引言
水下爬行机器人（URV）的进步使得开发能够探索，收集数据甚至执行某些水下操作的车辆成为可能。URV分为缆控水下航行器（ROV）和自主水下航行器（AUV）。
ROV是通过缆绳和人工遥控来控制和操纵的车辆。另一方面，AUV是不受人为束缚的车辆，能够在没有人为干预的情况下完成任务。为了执行任务，AUV应该具有机载智能，并与一系列传感器和执行器一起使它能够实现任务目标。
与其他现有技术（例如ROV）相比，AUV在技术和经济领域均具有很多优势。然而AUV的发展也带来很多挑战和风险。由于这些原因，自主航行器的采用和使用以非常慢的速度增长。
以前与AUV的开发有关的调查文章已经发表。但是，某些文章，例如[1]，现在已经过时了。其他一些文章则专注于描述AUV的体系结构[4]，但缺乏一些与AUV的历史以及其开发过程中面临的风险有关的背景信息。本文提供了上述主题的广泛概述。第二节回顾了水下机器人的历史，其主要特点，其应用，优点和挑战。稍后，第3节介绍AUV的主要系统和组件。本文的摘要和结论将在第4节中介绍。最后，第5节讨论AUVs发展的一些趋势，并简要介绍了未来的工作。
2.背景
本节简要介绍了水下机器人历史上的一些简要问题。讨论了一些现有AUV的比较以及每个AUV应该具有的一些特征。本节还讨论了AUV的应用和优点以及发展AUV的一些挑战和风险。
2.1 AUV的发展历史
AUV的发展可以追溯到1960年代直到本世纪初[1]。在1960年代，对AUV的用途进行了初步研究。有些航行器是为执行特定的应用程序而设计的，例如数据收集。后来在1970年代，不同的大学和机构开发了一些测试平台。这是AUV的发展取得重要进展的时期。一些设计的车辆是：
bull;华盛顿大学应用物理实验室开发的专用水下研究工具（SPURV）。由于需要从北极地区收集海洋数据，因此开发了该航行器[1]
bull;LI and L2，由海洋技术研究所和俄罗斯科学院共同开发的第一款潜水AUV[1]
在20世纪80年代，计算机技术的进步影响了AUV的发展。可以实现复杂的软件和控制算法。1980年，在美国新罕布什尔州举行了首届国际无人系绳潜水技术国际研讨会（UUST），当时只有24名与会者。尽管如此，到1987年，来自不同大学，公司，联邦机构和9个国家的320多人参加了研讨会。开始了各种各样的研究计划，并且很明确AUV将成为操作系统。
在20世纪90年代，AUV的试验台变成了操作系统。他们能够按照既定目标完成一系列任务。在此期间，许多AUV在国际上发展起来，潜在用户涌现出来并对任务的定义做出了贡献。
在本世界初AUV的市场被加以定义。如今，除学术和研究领域外，AUV技术已融入到海洋工业的商业潮流中。
已开发用于商业应用的AUV的示例是[19]:
Maridan 600（M600），由丹麦Maridan A / S开发。德比尔斯海洋集团获得了一台M600，用于在110-150米深处对南非海岸的硬矿物软岩进行勘测。
拥抱3000，由挪威Kongsberg A / S为美国C＆C Technologies，Inc.开发总部设在marinesurv ^公司。它已对2001年墨西哥湾的近海油气勘探进行了调查。
Hug in 3000，由挪威Kongsberg A/S为名为Camp;amp;C Technologies，Inc.，总部位于澳大利亚的一家海洋调查公司开发。2001年在墨西哥湾近海对海上油气资源进行勘察。
2.2 AUV之间的比较
全世界范围内有10多个国家开发出许多AUV。它们每一个都有一个预期的目的或任务目标。因此，AUV之间的常见变更包括其设计目的和所能达到的最大深度。例如，基于勘测的AUV不同于那些被认为是底部勘测的AUV，因为它们能够到达更大的深度。海洋数据采集系统（ODAS）和自主海底勘探器（ABE）就是这些AUV的示例。ODAS是一种勘测型AUV，由英国的Marconi undrata系统公司开发，最大深度可达900米。另一方面，ABE是美国伍兹霍尔海洋学研究所开发的一种海底勘测AUV，其深度可达6000米[23]，ABE组件的示意图见图1。
在不同的水下航行器中也可以看到有关传感器系统的变化。例如，由美国佛罗里达大西洋大学开发的CDcean Voyager II使用了大量的传感器。其中一些是：触须声纳，声波速度计，压力传感器和射频调制解调器。由美国麻省理工学院开发的Odyssey II具有高度计，温度传感器，声学调制解调器等，作为其传感系统的一部分。
其他的差异也可以在水下机器人之间看到，比如电源，推进器的数量，处理器和使用的操作系统[21]。
2.3关键特征
以下是任何AUV应该具备的一些主要特征，在设计时应考虑这些特征
bull;可靠性，AUV应该能够执行并完成期望的任务。
bull;模块化，系统应足够灵活，以方便进行任何必需的更新或修改
bull;鲁棒性，AUV应该准备好在执行任务期间处理意外情况
bull;耐久性，应适当地规划有效的能耗，以使系统持续到任务完成。
2.4应用，挑战与风险
2.4.1应用和好处
自主水下航行器设计的持续增长和新技术的发展引起了产业界和科学界的关注。从对从海底收集科学数据的兴趣到对寻找石油和矿物的兴趣，随着更多的传感器和系统被添加到试验平台，AUV的潜在应用正在增加[4]。但是，可以区分为两种主要的应用：勘测任务和科学任务。
勘测任务用于确定开采石油、管道和水深测量的钻探地点。一些能够执行这些任务的AUV是来自麻省理工学院（MIT）的奥德赛、来自挪威的HUGIN家族和忒修斯AUV。尽管对于石油公司而言，使用AUV带来的好处是可节省大量资金，但是这些公司中的大多数却在缓慢地从使用ROV迁移到AUV。例如，壳牌石油公司估计，仅在五年内使用AUV，就可以节省高达1亿美元[4]。
科学任务倾向于更果断地利用AUV的优势，特别是海洋学界执行的任务。科学界利用现代AUV中使用的不同传感器来收集来自海洋不同部分的数据。深海勘探是AUV容易实现的特殊领域，它的性能优于任何ROV，因为很难控制淹没在距海面6,000米处的ROV[8]。海洋学界感兴趣的其他领域是冰层勘测和考古海洋勘探，可以在这些领域使用AUV查找沉船残骸和文化遗产。
商业上有许多用于勘测和科学任务的航行器。从估计成本为35,000美元的小型航行器，到成本接近175,000美元的大型航行器[8]，科学界正面对着越来越多的可操作AUV可以去探索海洋。不仅如此，全球有几所大学已经开始开发自己的AUV。
2.4.2挑战与风险
深海环境是自主水下航行器发展中的主要挑战。例如，有限的功率限制，由水流引起的干扰，复杂的流体力学以及有限的外部通讯仅是开发AUV时要解决的一部分挑战。这些挑战以及其他许多挑战都构成了严重的风险，这些风险减慢了AUV技术的开发和采用速度[2]
防止AUV中的机电和软件系统发生故障至关重要，因为它可以最大程度地减少在深海中对航行器造成损害或伤害的风险。航行器操作不正确可能会导致经济损失，这是公司或科学协会无法承受的。因此，只要AUV技术尚未得到充分验证，一些公司就会尝试依靠ROV来执行其水下任务[9]。
3.主要的AUV组件
一个简单的AUV至少应具有一个导航系统，一个推进机构和一个用于放置车载部件的容器[5]。本节介绍任何AUV所需的主要系统和组件。还介绍了一些现有模拟器。
3.1机械设计
3.1.1壳体
选择船体形状主要取决于所需的任务。船体可分为开放式或封闭式。开放式框架船体灵活且模块化，允许在框架周围添加或移动外部传感器和推进器。另一方面，封闭框架的船体结构紧凑，提供了更好的流体动力学特性，但是很难修改[17]，还需要一个压力壳体来放置诸如电子元件和电池之类的部件。耐压壳体必须能够提供水密环境。此外，应使用特殊材料制成，以应对高度腐蚀和高压的海洋环境。因此，壳体必须具有以下特征标记[5]。
bull;易于进入和维护
bull;考虑到模块化以进行可能的更新
bull;轻巧坚固
bull;耐腐蚀
许多AUV可能使用包含一个或多个耐压壳体的鱼雷形结构。有多种形状可用于壳体，例如球形或圆柱形。圆柱被认为是最好的选择，因为它可以使组件有更好的布置。类似地，可以将不同的材料用于耐压船体，例如铝或钛。表1列出了不同耐压壳体材料之间的比较。
3.1.2推进
AUV是由一个推进机构驱动的，该推进机构通过以一定速度移动水来产生推力。然而，推进是动力消耗的主要来源之一。因此，选择合适的机构取决于尺寸，成本，功耗和产生的推力等因素。螺旋桨，吊舱推进器和喷射器是水下应用中使用的一些推进器。螺旋桨和吊舱推进桨均使用发动机，而喷射器使用涡轮机[17]。
由于与其他替代品相比，许多AUV成本高昂，因此使用基于发动机的推进系统。航行器的自由度会受到电机位置的影响。此外，对机载电子元件的噪声干扰也会受到影响。在此之前，应格外注意决定要使用的电动机数量及其位置[5]。
3.1.3潜水
压载舱或指向下方的推进器是潜入水下机器人的两种选择。虽然推进器的使用更简单，但它的使用会影响能量消耗的效率，并且对于更大的深度来说并不理想[5]。
3.2数据采集系统
3.2.1传感器
通常，AUV包含大量传感器。这组传感器可以分为两个主要类别[16]:
bull;导航辅助设备
bull;勘探/观察设备
第一个子类包括诸如全球定位系统（GPS）接收器、多普勒速度测井（DVL）、一个或多个声纳模块、深度传感器、高度计、指南针和陀螺仪等传感器[4]。GPS接收器用于估计航行器在水面上的位置，而DVL用来估计航行器在水面下的位置。深度传感器（或可选的高度计）用于估算航行器在海底的深度。指南针和陀螺仪用于确定欧拉角（俯仰，偏航和滚动）。最后，声纳模块用于检测航行器路径上的障碍物。
第二个子类由允许AUV注册和记录与海洋环境有关的数据的传感器组成。这些设备可能因不同的AUV而有所差异。但是，最常见的数据显示在表2中。但是，随着AUV技术变得更加可靠，增加了更多的传感器以观察有关海洋的更多数据[1]。
3.2.2外部沟通
由于深海环境的限制，声通信是AUV与外界之间交换数据的最可行策略。因此，大多数商用AUV使用声学调制解调器发送和接收数据，但是带宽通常在每秒几千字节的范围内。尽管基于激光的通信以及射频通信只能在非常短的时间内工作，但人们也已进行了研究[1].。
低成本AUV倾向于使用更常规的通信策略，例如使用无线局域网（WiFi）。但是，这种类型的通信仅在AUV位于海面时才能正常工作。
3.2.3视觉系统
AUV的视觉系统主要有两个用途：辅助导航系统、记录图像和探索海洋。
对于第一种情况的视觉系统，有时由多个摄像头组成，用于检测障碍物，并估计从AUV到每个障碍物的距离。类似地，摄像机可用于识别躺在海底的物体。然而，由于光线的低水平和环境的高浊度，导航系统很难依靠摄像机的图像。[2]。因此，使用摄像机辅助导航系统仅限于低成本、低深度的AUV。另一方面，视觉系统可用于从海洋最深处收集有价值的信息。例如，图像拼接是一种流行的策略，其中将多个视频图像连接在一起以创
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