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深海救援利器-水下救援机器人ROV的通讯系统

服务型机器人(Service Robots)能上天下海,帮助人类探索极限环境与未知领域,也在灾难发生时助人们一臂之力。人类对占有地球 70% 的海洋及其深处的了解,并不比外太空的知识多多少。科幻电影环太平洋(ThePacific Rim),想像未来在深不可测的海沟中,有异形巨兽由此时空奇异点穿梭出来,造成地球大灾难,人类亦发明了巨型机器人与之对抗的情节。

1966年1月,全球第一个遥控水下机器人CURV1在西班牙海域856米水深处打捞起一颗失落的氢弹。

2014年8月,遥控水下机器人Victor 6000传回了位于3820米海底的泰坦尼克号残骸清晰照片。

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2009年,Jason号遥控水下机器人拍摄到海底火山爆发

近年来,我国机器人产业一片欣欣向荣。不过,在漂亮的数据背后,隐藏的却是很多难以言说的缺陷和不足,有些甚至已经逐渐成为制约产业发展的心腹大患。

对此,中国工程院院士封锡盛有着清醒的认识。

关键零部件、材料技术、人机交互等是最大短板

关于机器人产业的分类,国内一直没有统一的说法。目前主流的观点认为,以其应用的产业为区分标准,机器人可以分为工业机器人、服务机器人和特种机器人。

在众多的分类中,大多都把水下机器人归到特种机器人的分类中。本文亦循此法。

搭建水下通讯传输网络,是整个行业的最大难题

水下环境和水上的环境是大不相同的。

陆地上有互联网、GPS等等,通讯十分便利,信号传输也非常的通畅。但是这些因素,在水下都完全不具备。目前最为便捷的电磁波通讯,在水下的折射和传输衰减损耗非常之大。

一、水平前进的地表波折射图

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图中所示,设E1,H1为空气中电场、磁场分量,E2、H2为水中电场、磁场分量。

二、垂直极化波折射图

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图中所示,E1、H1表示入射波的电磁场强度,E2、H2表示反射波的电磁场强度,E3、H3表示折射波电磁场强度。

三、水平极化波折射图

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由上可知,由于电磁波在水下的折射和损耗,所以在目前大多数水下机器人选择的通讯手段就是靠声波。

不过,声波也同样有着明显的弊端。

声波的传播速度慢得多,在水下也就每秒1500米左右,远远赶不上接近于光速的电磁波。”

因为这个原因,所以水下机器人在水下的通讯就成了第一大难题。不像在陆地上很容易很方便就可以构建网络,而且带宽很大,目前水下的传输网络都还是个空白。

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尽管现在也有人在做水下传感网络的搭建,但总的来讲,难度已然很大,进展也不顺畅。这种情况之下,要想研究水下世界,或是在水下开展工作,怎么办呢?有两个办法。

一个办法是给机器人装一根电缆线。有了这根线缆,就可以实现水下的通信、视频传输。但是线缆长度是最大的障碍,毕竟不可能无限长,同时线缆越长也会越影响机器人的机动性和灵活性。

所以,这种有线的机器人只适合在有限、固定的范围内使用。这种,我们称之为遥控型,就是通过电缆来遥控的水下机器人。”

另外一种就是无线的自主型水下机器人,即去掉线缆,也不依赖于通信。显然,这样做的好处是可以让机器人走得更远、更自由。

因为这种是自主型水下机器人,它在作业过程中要完全依赖于机载的智能设备,所以它的完美程度几乎完全需要依靠其智能化水平的高低。

当然,目前各种人工智能技术都在进步,而每一个技术总是能找到应用空间。因此,尽管目前自主水下机器人的自主能力不高,但它仍然有着自己的用武之地,而且将来的技术和自主化、智能化水平也会逐渐提高,届时就会在更多的领域发挥作用。”

比如像在大规模的海洋探测和搜救方面,水下机器人的作用将会变得越来越大。

一个实际的例子就是,马航370失事之后的残骸搜索。这其中,美国的蓝鳍金枪鱼(美国最先进的军用水下机器人)因为参与了搜救的行动而被公众所熟知。它就是一款自主的水下机器人。

目前,在水下主要靠声波。其他的像电磁波、超长波也偶尔会用到,但是也都是在有限的信道范围之内,传送的波特率非常之低。

另外,就是会用到激光,主要是蓝绿激光。它可以穿透一定的水深,但是能达到的深度也就只有80-100米这个范围,再深就不行了。

所以综合来看,目前水下机器人的通信还是主要靠声波来完成,靠各种声纳设备来做信号传输。”

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未来,家庭娱乐将是水下机器人下一个发力方向。从大的方面来说,军事是一个很典型的领域,这个在国外也是用的比较多的一个领域。而民用的水下机器人大体上有以下几个领域:海洋能源,海洋石油、天然气的探测开发,这也是水下机器人得以广泛使用的重要行业;

其他的像海底通讯,海底电缆、管线的铺设和维修,还有海上救助、沉物打捞等等。另外就是海洋科学研究方面。

目前我国的机器人产业还是一个自由散漫的状态,谁开发了一个产品,各家都有自己的一套标准,各自为政的局面。

这种状态是不对的,也不利于整体行业的健康发展。

我个人认为,出台一套统一的标准和相关的法律法规政策作为保障,对我国的机器人产业来说,非常必要。”封院士最后总结道。


来源:搜狐,镁客网;科技新报;石油课堂;海浮编辑。


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