自主水下航行器

自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle AUV)是一种在不需要操作员输入的情况下在水下行进的机器人。 AUV构成更大的海底系统的一部分,称为无人水下航行器,包括非自主远程操作的水下航行器(ROV) – 由操作员/飞行员通过脐带或使用遥控器从地面控制和供电。 在军事应用中,AUV通常被称为无人驾驶海底车辆(UUV)。 水下滑翔机是AUV的子类。

历史
早在1957年,Stan Murphy,Bob Francois和后来的Terry Ewart就在华盛顿大学应用物理实验室开发了第一台AUV。 “特殊用途水下研究飞行器”(SPURV)用于研究扩散,声波传播和潜艇尾流。

其他早期的AUV是在20世纪70年代在麻省理工学院开发的。 其中一个在麻省理工学院的Hart Nautical Gallery展出。 与此同时,AUV也是在苏联开发的(尽管直到很久之后才知道)。

应用
直到最近,AUV已被用于由可用技术决定的有限数量的任务。 随着更先进的处理能力和高产量电源的发展,AUV现在被用于越来越多的任务,角色和任务不断发展。

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石油和天然气行业在开始建造海底基础设施之前,使用AUV制作详细的海底地图; 管道和海底完井可以最经济有效的方式安装,对环境的干扰最小。 AUV允许调查公司对传统测深调查效率较低或成本较低的区域进行精确调查。 此外,现在可以进行后铺管道勘测,其中包括管道检查。 AUV用于管道检查和检查水下人造结构正变得越来越普遍。

研究

南佛罗里达大学研究人员部署了Tavros02,这是一种太阳能“推特”AUV(SAUV)
科学家使用AUV研究湖泊,海洋和海底。 可以将各种传感器固定到AUV上以测量各种元素或化合物的浓度,光的吸收或反射以及微观寿命的存在。 例子包括电导率 – 温度 – 深度传感器(CTD),荧光计和pH传感器。 此外,AUV可配置为牵引车,以将定制的传感器组件传送到特定位置。

爱好
许多机器人专家将AUV构建为业余爱好者。 有几个竞赛允许这些自制的AUV在完成目标的同时相互竞争。 像他们的商业兄弟一样,这些AUV可以配备摄像头,灯光或声纳。 由于资源有限和经验不足,业余爱好者AUV很少与商业模式竞争操作深度,耐用性或复杂性。 最后,这些业余爱好的AUV通常不是远洋的,大部分时间都在游泳池或湖床中操作。 简单的AUV可以由微控制器,PVC压力壳体,自动门锁致动器,注射器和DPDT继电器构成。 竞赛的一些参与者创建了开源设计。

非法贩毒
通过GPS导航自主前往目的地的潜艇已由非法贩毒者制造。

空难调查
自动水下交通工具,例如AUV ABYSS,已用于查找失踪飞机的残骸,例如法航447航班,而Bluefin-21 AUV则用于搜索马来西亚航空公司370航班。

军事应用
美国海军无人驾驶海底车辆(UUV)总体规划确定了以下UUV的任务:

情报,监视和侦察
矿山对策
反潜战
检测/识别
海洋学
通信/导航网络节点
有效负载交付
信息业务
时间紧迫的罢工

海军总体规划将所有UUV分为四类:

便携式车辆类:25-100磅排量; 耐力10-20小时; 手动从小型水上发射(即Mk 18 Mod 1 Swordfish UUV)
轻量级车辆:高达500磅的排量,20-40小时的续航能力; 使用发射/回收系统或来自水面舰艇的起重机(即Mk 18 Mod 2 Kingfish UUV)从RHI​​B发射
重型车辆级:高达3000磅的排量,40-80小时的续航能力,从潜艇上发射
大型车辆:高达10吨长排量; 从水面舰艇和潜艇发射

车辆设计
在过去的50多年中,已经设计了数百种不同的AUV,但只有少数几家公司出售了大量的汽车。 大约有10家公司在国际市场上销售AUV,包括Kongsberg Maritime,Hydroid(现为Kongsberg Maritime的全资子公司),Bluefin Robotics,T​​eledyne Gavia(以前称为Hafmynd),国际潜艇工程(ISE)有限公司,Atlas Elektronik和OceanScan。

车辆的尺寸范围从便携式轻型AUV到超过10米长的大直径车辆。 大型车辆在耐久性和传感器有效载荷能力方面具有优势; 较小的车辆从较低的物流中受益(例如:支持船舶足迹;发射和回收系统)。

一些制造商受益于国内政府的赞助,包括Bluefin和Kongsberg。 市场实际上分为三个领域:科学(包括大学和研究机构),商业海上(石油和天然气等)和军事应用(矿山对策,战场准备)。 这些角色中的大多数使用类似的设计并以巡航(鱼雷型)模式操作。 它们在遵循预先规划的路线时以1至4节的速度收集数据。

可商购的AUV包括各种设计,例如最初由美国伍兹霍尔海洋研究所开发的小型REMUS 100 AUV,现在由Hydroid,Inc。(Kongsberg Maritime的全资子公司)商业生产; 由Kongsberg Maritime和挪威国防研究机构开发的更大的HUGIN 1000和3000 AUV; 蓝鳍机器人12英寸和21英寸直径(300和530毫米)的车辆和国际潜艇工程有限公司大多数AUV遵循传统的鱼雷形状,因为这被视为尺寸,可用体积,水动力效率和易于处理。 有些车辆采用模块化设计,使操作员可以轻松更换部件。

市场正在发展,设计现在遵循商业要求,而不是纯粹的发展。 即将推出的设计包括用于检查和光干预的悬浮式AUV(主要用于海上能源应用),以及作为其任务剖面的一部分在角色之间切换的混合AUV / ROV设计。 同样,市场将受到财务要求和节省资金和昂贵的船舶时间的目的的驱动。

今天,虽然大多数AUV都能够进行无人监督的任务,但大多数运营商仍然在声学遥测系统的范围内,以便密切关注他们的投资。 这并不总是可行的。 例如,加拿大最近接收了两名AUV(ISE探索者),以调查北极冰层下的海底,以支持他们根据“联合国海洋法公约”第76条提出的索赔。 此外,超低功率,远程变体(如水下滑翔机)正变得能够在沿海和开阔海域无人值守数周或数月的操作,定期通过卫星将数据传输到岸上,然后再返回。

截至2008年,正在开发一种新型AUV,它们模仿自然界中的设计。 虽然大多数目前处于实验阶段,但这些仿生(或仿生)车辆通过在自然界中复制成功的设计,能够在推进和机动性方面实现更高的效率。 两个这样的车辆是Festo的AquaJelly(AUV)和EvoLogics BOSS Manta Ray。

传感器
AUV携带传感器以自主导航并映射海洋的特征。 典型的传感器包括罗盘,深度传感器,侧扫和其他声纳,磁力计,热敏电阻和电导率探头。 一些AUV配备了生物传感器,包括荧光计(也称为叶绿素传感器),浊度传感器和用于测量pH和溶解氧量的传感器。

2006年9月在加利福尼亚州蒙特利湾举行的一次演示表明,直径为21英寸(530毫米)的AUV可以牵引400英尺(120米)长的水听器阵列,同时保持6节(11公里/小时)的巡航速度。

导航
无线电波无法穿透水很远,因此一旦AUV潜水,它就会失去GPS信号。 因此,AUV在水下航行的标准方法是通过航位推算。 然而,通过使用水下声学定位系统可以改善导航。 当在海底部署的基线转发器网内操作时,这被称为LBL导航。 当可以使用支撑船等表面参考时,使用超短基线(USBL)或短基线(SBL)定位来计算海底飞行器相对于水面舰艇已知(GPS)位置的位置通过声学范围和轴承测量。 为了改善其位置的估计,并减少航位推算中的误差(随着时间的推移而增长),AUV还可以浮出水面并采用自己的GPS定位。 在定位和精确机动之间,AUV上的惯性导航系统通过航位推算计算AUV位置,加速度和速度。 可以使用来自惯性测量单元的数据进行估算,并且可以通过添加多普勒速度测井(DVL)来改进估算,DVL测量海/湖底的行进速率。 通常,压力传感器测量垂直位置(车辆深度),但深度和高度也可以从DVL测量获得。 过滤这些观察结果以确定最终的导航解决方案。

动力
AUV有几种推进技术。 它们中的一些使用拉丝或无刷电动机,变速箱,唇形密封件和螺旋桨,其可以被喷嘴包围或不被喷嘴包围。 嵌入AUV结构中的所有这些部件都涉及推进。 其他车辆使用推进器单元来维持模块化。 根据需要,推进器可以配备用于螺旋桨碰撞保护的喷嘴或减少噪音提交,或者它可以配备直接驱动推进器以将效率保持在最高水平并且将噪音保持在最低水平。 先进的AUV推进器具有冗余轴密封系统,即使在执行任务期间其中一个密封件发生故障,也能保证机器人的正确密封。

水下滑翔机不直接推进自己。 通过改变它们的浮力和修剪,它们反复下沉和上升; 翼型“翅膀”将这种上下运动转换为前进运动。 浮力的变化通常通过使用可以吸入或排出水的泵来完成。 可以通过改变车辆的质心来控制车辆的俯仰。 对于Slocum滑翔机,这是通过移动安装在螺钉上的电池在内部完成的。 由于它们的低速和低功率电子设备,循环调整状态所需的能量远远低于常规AUV,并且滑翔机可以具有数月和跨洋范围的耐久性。

功率
目前使用的大多数AUV都是由可充电电池(锂离子,锂聚合物,镍金属氢化物等)供电,并采用某种形式的电池管理系统。 一些车辆使用的原电池可能提供两倍的续航能力 – 每次任务需要大量的额外费用。 一些较大的车辆由铝基半燃料电池提供动力,但这些需要大量维护,需要昂贵的再填充并产生必须安全处理的废物。 一种新兴趋势是将不同的电池和电源系统与超级电容器结合起来。