美国海军研制的AUV－AUSS水下机器人也称作潜水器(Underwater Vehicles)，诞生于20世纪50年代初。美国海军研制的AUV－AUSS水下机器人的种类很多，其中载人潜水器、有缆遥控水下机器人(ROV)、水下自动机器人（AUV）是三类最重要的潜水器。回顾水下机器人的发展历史，我们从中可以看到人类征服海洋的进程。最早出现的潜水器是载人潜器，这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生。20 世纪50 年代末期，美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人——“SPURV”，这艘AUV 主要用于水文调查。从60 年代中期起，人们开始对无缆水下机器人产生兴趣。但是，由于技术上的原因，致使AUV 的发展徘徊多年。随着电子、计算机等新技术的飞速发展及海洋工程和军事方面的需要，AUV再次引起国外产业界和军方的关注。进入20世纪90 年代，AUV 技术开始逐步走向成熟。
机器人可以进行深海探测。深海采集。深海维修。 开发海洋是人类在二十一世纪面临的重大课题，而探索、考察和有效利用国际海域和海底区域是对我国发展海洋高技术和未来海洋产业提出的挑战。 沈阳自动化研究所是国内外有影响的研究与开发水下机器人并形成产品的科研实体之一，首创我国第一台有缆遥控和无缆自治水下机器人。从某种意义上讲，沈阳自动化研究所的水下机器人各阶段的技术成果代表了我国在这一技术领域的发展水平与过程。作为中国科学院“知识创新”工程先进制造基地的一部分，沈阳自动化研究所二十年来在水下机器人研制与应用方面为国家水下装备技术，特别是海洋重要装备技术及海洋开发发挥了不可替代的重要作用。 该所拥有一支理念超前，训练有素、经验丰富、技术全面的设计队伍。水下机器人实验室配备了齐全、先进的试验设备和条件，3个深水模拟压力罐可分别进行水下1000米、1500米、7200米水深的水下模拟试验。长20米、宽12米、深9米的试验水池可做各种水下机器人整机性能试验和调试。现已形成了大、中、小型水下机器人系列产品的生产能力，并在国际、国内开展了各种水下工程作业。 早在70年代末期，前瞻性地考虑到海洋是一个广阔的应用领域，从长远看以海洋为背景来发展机器人科学技术，是一项具有开拓性的工作，中国科学院又具有多学科综合性的研究开发能力，因此准备在全院组织力量，支持这一重大项目的实施。1977年召开的中国科学院自然科学学科规划会议将发展机器人项目列入规划。蒋新松院士在当年组团赴日考察回国后提出了发展水下机器人的设想。从此，沈阳自动化研究所锁定了“下海”为海洋开发服务，搞智能机器在海洋中的应用研究的战略目标，决心“要下五洋捉鳖”。1983年该项课题正式列为中国科学院重点课题，开创了智能机器人科研领域，为水下机器人的研究开发奠定了基础。 二十年来，“水下机器人”由院重点，进而持续列入“六五”、“七五”、“八五”、“九五”和“十五”国家重点项目，成为国家863计划自动化领域智能机器人主题项目的重点内容。沈阳自动化研究所通过建立机器人示范工程基地，已开发出多种型号的水下机器人产品，应用于水下观测、海上作业以及救捞工程等。又通过国际合作，研制成功了6000米水下机器人，使我国水下机器人研究与开发达到国际先进水平。 RECON-IV水下机器人具有较强功能和可靠性，已成为国际知名品牌，生产的多台设备出口国际市场，还有的长年在为南海石油钻井平台提供技术服务；“海潜一号”和“金鱼号”轻型水下机器人在沿海和内湖地区的水下探查、考古等作业起到重要作用；“海潜二号”水下机器人以其强作业功能为国家安全提供了有力的技术支持；用于海底光缆埋设的爬行式水下机器人“海星号”是我国第一台海底自走式海缆埋设机，目前已完成研制工作并投入实际应用。 作为总体单位在国家“863”计划支持下完成的潜深1000米“探索者”和潜深6000米“CR-01”、“CR-02”无缆自治水下机器人标志着我国自治水下机器人技术在国际上处于领先地位。6000米水下机器人工程项目是国家“863”计划项目的重中之重。通过与俄罗斯合作，实施研制成功了6000米水下机器人，并于1995年8月完成了深海试验。6000米水下无缆自治机器人的研制，涉及到自动化、计算机、水声、深潜、水动力、材料、能源等各种专业，需要解决水中通讯、高压密封、自主航行控制、动力系统、能源系统、各种信息的采集和处理、特种材料以及可靠性等高技术。“CR-01”自治水下机器人多次成功地完成了太平洋水域深海资源的调查。为了进一步提高水下6000米自治机器人的可靠性、实用性、后勤保障能力、机动性和续航能力，使其由可用样机发展为实用样机，1996年8月起正式实施了水下6000米自治机器人的工程化项目。其目标是为中国大洋协会进行大洋调查提供水下6000米自治机器人实用样机。工程化的主要工作是提高原样机的可靠性，达到实用化的目的。试验表明，经过工程化改进后的CR-02水下6000米无缆自治机器人性能卓越，可靠性高，能执行所赋予的使命，从而实现了自治水下机器人从手编程型向监控型的转变，技术水平又上了一个台阶。有关专家认为，该水下机器人是目前世界上最先进的洋底探测设备。CR系列高性能水下机器人能进行六千米深水录像、拍照和海底地势与剖面测量、水文测量、海底多金属结核丰度测定，海底沉物目标搜索和观察，自动记录各种数据包括图像和机器人水下运动轨迹及其坐标位置，还可按预编程航行和工作，自动避障，具有故障自诊断和应急上浮功能，并能提供指令遥控。这表明，中国已有圆满解决这些高技术的能力和手段，而且已进入洋底多金属结核资源探测应用的实用阶段。6000米水下机器人的研制成功，使中国一跃成为世界上具有研制这种自治水下机器人能力的少数几个国家之一，它可到达世界上除海沟之外的全部海底区域，即全部有经济前景的海底，占海洋面积的98％，为中国进军国际海洋区域、开发大洋资源提供了强有力的技术手段和工具。 该所目前正在研制潜深7000米水下载人机器人——又被称作“海底卫星”，预计将在2005年投入使用。这意味着中国将拥有对包括深海海沟在内的复杂海域进行详细探测的能力，中国开发海洋资源的步伐将大大加快。目前，世界上只有俄罗斯、美国、日本等国家拥有类似潜深的水下载人机器人。在可预见的将来，在此基础上作进一步的开发，中国的水下载人机器人将有可能探测深达1万多米的世界最深海沟马里亚纳海沟。水下载人机器人主要用于海洋科考、海底资源探测，是中国863高新技术计划“十五”期间（2001年至2005年）的重点攻关课题。 此次研制的潜深7000米水下载人机器人，由该所联合中国船舶重工集团等机构与俄罗斯科学院共同研制。其中，机器人制造的核心技术由中方负责，俄罗斯提供如钛合金耐压壳等维护生命安全方面的技术。根据协议，中国将享有对机器人的全部自主知识产权。 由国家海洋局主持的中国第二次北极科学考察装备了沈阳自动化研究所研制的中型ROV“海极号”水下机器人，2名科技人员随船出征。这是沈阳自动化研究所研制的水下机器人首次参加北极科学考查。据报道，中国第二次北极科考队进入北冰洋的浮冰区后，“海极号”水下机器人开始投入使用。该机器人可以在300米深度自由运动，进行摄像、观察、测量、作业等，并利用仰视声呐系统观测海冰的厚度，具有作业时间长、范围广、安全性高、科考数据直观、事后处理和分析容易等人和其他设备无法比拟的优势。水下机器人在北极冰区进行冰层厚度等一系列科考示范应用在国内还是首次，对扩大水下机器人的应用领域具有非常重要的意义。 水下机器人技术系列成果曾获国家、科学院、辽宁省科技进步奖及世界发明博览会金牌奖等20余项，其中“CR-01”6000米自治水下机器人获1995年度中国科学院科技进步特等奖和综合特大奖。 沈阳自动化研究所在水下机器人研发过程中一贯采取开放、合作的工作模式，与美国、俄罗斯、意大利的一些研究单位和公司有着良好的合作经历和关系，与国内中国船舶科研中心、中国科学院声学研究所、哈尔浜工程大学、上海交通大学、华东船舶工程学院等相关优势单位形成了友好、有效的合作网络。为了适应水下机器人的进一步发展，进行产业化开发，该所拟在沈阳浑南开发区建设更大规模的水下机器人试验和生产基地。 人类当今正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正在日益减少。为了生存和发展，海洋开发势在必行。 海洋占地球表面积的71％，拥有14亿立方公里的体积。在海底及海洋中，蕴藏着极其丰富的生物资源及矿产资源。在6000米以下的大洋底部仍有生命存在，这种在极端条件下的生命，格外受到生物学家的重视。大洋底部还沉积着极为丰富的多金属结核，尤以铜、锰、镍、钴含量最高，估计储量为7万亿吨。海底锰的藏量是陆地的68倍，铜的藏量为22倍，镍为274倍，制造核弹的铀的储藏量高达40亿吨，是陆地上的2000倍。海洋还是一个无比巨大的能源库，天然气水合物总量相当于陆地燃料资源总量的2倍以上。海底储存着1350亿吨石油，近140万亿立方米的天然气。因此，洋底的探测和太空探测类似，同样具有极强的吸引力、挑战性。 1991年，中国被联合国批准为第五个深海采矿先驱投资者，承担30万平方公里洋底的探测任务，并最终拥有对矿产资源最丰富的5万平方公里海域的优先开采权。中国政府已把海洋开发作为21世纪的国民经济与社会发展战略重点之一。 水下机器人是多种现代高技术及其系统集成的产物，对于我国海洋经济、海洋产业、海洋开发和海洋高科技具有特殊的重要意义。发展水下机器人，并将其作为海洋战略制高点，提升我国海洋重大装备水平，为海洋支柱产业和新兴产业提供成套技术与先进装备保障，为海洋未来产业和国家海洋战略创造有利条件与国际竞争能力，并将强大的技术领先优势，转换成为强大的产业开发优势，是沈阳自动化研究所历史性的必然抉择，更是其使命性的郑重承诺。
从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。 1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。 这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中 28艘 用于工业服务。1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。 1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有研究项目，而且还有较大型的长远计划。1988年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。中国水下机器人2009年首次在北冰洋海域冰下调查。“大洋一号”科学考察船第21航次就在开始不久的第三航段考察中，“大洋一号”首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。这一发现标志着中国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。依靠“大洋一号”船的精确动力定位，中国自主研制的水下机器人“海龙2号”准确降落抵达“鸟巢”黑烟囱区海底，并展开了摄像观察、热液环境参数测量。 2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人问世。哈尔滨工程大学船舶工程学院5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。这款机器人获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。 2012年日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代由潜水人员去完成的危险水下作业。在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。2015年3月19日，中国自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286进行深水设备测试，首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深海底，这是国内首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深的南海。
从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。 1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。 这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中 28艘 用于工业服务。1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。 1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有研究项目，而且还有较大型的长远计划。1988年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。中国水下机器人2009年首次在北冰洋海域冰下调查。“大洋一号”科学考察船第21航次就在开始不久的第三航段考察中，“大洋一号”首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。这一发现标志着中国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。依靠“大洋一号”船的精确动力定位，中国自主研制的水下机器人“海龙2号”准确降落抵达“鸟巢”黑烟囱区海底，并展开了摄像观察、热液环境参数测量。 2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人问世。哈尔滨工程大学船舶工程学院5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。这款机器人获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。 2012年日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代由潜水人员去完成的危险水下作业。在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。2015年3月19日，中国自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286进行深水设备测试，首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深海底，这是国内首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深的南海。
田烈余1，2 盛堰1，2 陈春亮1，2（广州海洋地质调查局 广州 510760；国土资源部海底矿产资源重点实验室 广州 510760）第一作者简介：田烈余（1981—），男，硕士研究生，研究方向为ROV机电液智能控制和海洋地质调查。摘要 针对水下机器人机械手抓取专用工具及操作准确、快速、可靠平稳地要求，设计一种应用ROV的模糊滑模控制器（滑模控制器，本质上是一类特殊的非线性控制，且非线性表现为控制的不连续性）。该控制器的动态性能取决于滑模系数，与控制对象的参数无关，状态轨线始终保持在切换面上，从而获得全局鲁棒性（表征控制系统对特性或参数扰动的不敏感性），提高了位置控制系统的精度。联合仿真结果表明：该控制器具有良好的动态、稳定性能以及较强的鲁棒性，能够使水下机器人的机械手操作快速准确平稳。关键词 水下机器人 模糊 滑模 联合仿真1 引言水下机器人的机械手是由液压缸、电液比例阀、伺服放大器、信号调节器和传感器等组成。该系统具有非线性、滞后性、大惯性等特点。而且水下机器人机械手工作在复杂的海洋环境下，考虑到运动的时变性，环境的复杂性和不确定性，建立精确的运动模型是十分困难的，所以需要对机械手有良好的控制算法。而常规PID（比例（proportion）、积分（integral）、微分（differential coefficient）控制的缩写，简称PID控制）控制需要建立被控对象精确的数学模型，难以处理复杂的时变性和非线性控制系统，它不能实时调整PID参数，且响应速度不够快。模糊控制可以把人的经验转化为控制策略，对时变的、非线性的、滞后的、高阶大惯性的被控对象，但却无法消除静态误差，需要引入积分作用［1］。基于以上原因，采用模糊滑模控制器，它是典型的非参数模型智能控制器，无需受控系统的数学模型各种准确的参数，仅需要确定机械手系统的工作环境就可以对系统进行控制，并根据不同的工作环境调整控制参数，使其达到最优的控制效果，与其他常规依赖模型的控制算法比，具有良好的过渡性能和鲁棒性特点［2，3］。2 模糊滑模的控制方法的设计1 系统描述水下机器人的机械手是一个典型的阀控缸系统，根据以往的数学模型可知为一三阶控制系统［4，6］，其状态方程可表示为：x（n）=f（x，t）+g（x，t）u（t）+d（t） （1）x=[x，x，…，x（n-1）]T，y=x （2）其中x⊂Rn，u⊂R，y⊂R，n=3。假设｜d（t）｜≤D。2 滑模控制器的设计定义全局滑模面为： 其中c ＞ 0，e为跟踪误差。而跟踪误差为：e=r-θ其中r为位置指令。为了实现全局滑模，函数F（t）需要满足以下三个条件：（1） ；（2）F（t）→0 as t→∞；（3）F（t）一阶可导。其中e0与 是位置误差及其导数。条件（1）使系统状态位于滑模面上，条件（2）保证了闭环系统稳定性，条件（3）是滑模存在条件的要求。根据上述分析，将F（t）定义为：F（t）=s（0）exp（-λt） （3）其中λ＞0，s（0）为初始时刻的s（t）。滑模控制律设计为：南海地质研究（2014）3 模糊控制器的设计滑模存在的条件为南海地质研究（2014）图1 二维平面内的滑模运动F1 The sliding mode motion in a 2D plane由图1可见，当系统到达滑模面后，将会保持在滑模面上。K（t）为保证系统运动得以到达滑模面的增益，其值必须足以消除不确定项的影响［2］。模糊规则如下：如果 ，则K（t）应增大。如果 ，则K（t）应减小。由式可以设计关于 和K（t）之间的关系的模糊系统（图2，图3），在该系统中， 为输入，K（t）为输出。系统输入输出的模糊集分别定义如下（图2，图3）：南海地质研究（2014）K（t）=｛ NB NM Z PM PB｝其中NB为负大，NM负中，Z零，PM正中，PB正大。图2 模糊输入隶属函数F2 The membership function of the fuzzy input模糊系统的输入输出隶属函数所示选择如下模糊规则：（1）IF is PB THEN K（t）is PB（2）IF is PM THEN K（t）is PM（3）IF is Z THEN K（t）is Z（4）IF is NM THEN K（t）is NM（5）IF is NB THEN K（t）is NB采用积分的方法对 的上界进行估计：南海地质研究（2014）其中G为比例系数，G＞0。控制系统的结构如图4所示。用 代替6的K（t），则控制率为南海地质研究（2014）图3 模糊输出隶属函数F3 The output fuzzy membership function图4 模糊滑模控制系统结构F4 Fuzzy sliding mode control system structure3 水下机器人机械手的系统建模及联合仿真仿真模型所有的物理参数都按照实际条件进行设置，系统液压油泵输入转数为1450r/min，公称排量：63mL/r，供油压力设定4 MPa，油缸规格一样，缸筒内径为50mm，活塞杆的直径为32mm，长度为300mm；两个缸活塞杆的初始位置都为150mm；所有油管的内径都为14mm；液压油密度ρ=87×103kg/m3，弹性模量β为680MPa，比例阀的最大通油面积为5×10-5m2，最大开口度为005m，节流口流量系数为Cd=7；泄露面积为1×10-12m2，模拟负载力为75KN。在Simulink（Simulink，为MATLAB最重要的组件之一）中的部分主要是 fuzzyxc（fuzzyxc，Simulink组件中的模糊控制仿真模块）控制部分，因为在Simulink中实现液压机械手庞大的机械系统（图5），显然是非常复杂，而相对于机械系统来说，仅只是控制器部分，将会使模型变的非常的简单［2，4］。图6为Simulink模型中的模糊滑模控制模块，其中包括了控制器、AMESim仿真模型以及信号处理子系统［5，6］。图5 机械手系统仿真模型F5 Hydraulic transfer feeder simulation model图6 主程序图F6 Main program diagram4 仿真结果分析表示给出的位移指令y=sin（2πt），取M=2，采用控制式（7），取G=400，c=150，λ=10，仿真时间为10s时的位移跟踪曲线。从图7可以看出2s就可以跟踪上给定的位移指令，机械手运动时间一般为30s。图7 正弦位置跟踪F7 Sine position tracking5 结语通过分析型水下机器人的动态特性，建立了位置控制的动态模型。并针对系统特性设计了模糊滑膜控制器，在MATLAB环境中进行了仿真实验，结果表明模糊滑膜控制比传统的PID具有更好的快速性、稳定性，而且能够克服外界扰动的影响。解决了水下机器人机械手的非线性、滞后、大惯性等难以控制的问题，具有重要的理论意义和工程实际应用价值。参考文献［1］谷娜基于AMESim 和simulink 的汽车电动助力转向器系统的联合仿真［D］四川：西华大学［2］刘金琨滑模变结构控制MATLAB 仿真［M］北京：清华大学出版社，［3］刘金琨先进PID 控制MATLAB 仿真［M］北京：电子工业出版社，［4］Lynn A，Smid E，Eshraghi M，et Modeling hydraulic regenerative hybrid vehicles using AMESim and Matlab/Simulink［5805-03］［J］PROCEEDINGS⁃SPIE THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING，V36（5805）：43-47［5］Jing B D，Lu S，Yang L Z，et Research of Hydraulic Jack Leakage Diagnosis Emulation Base on Wavelet/AMEsim［J］Key Engineering Materials，V36（392）：103-108［6］邬国秀基于AMESim 的阀控液压缸液压伺服系统的仿真［J］计算机应用技术，V35（1）：28-30Fuzzy Sliding Mode Controller Applied Research in the ROV's Mechanical HandsTian Lieyu1，2Sheng Yan1，2Chen Chunliang1，2（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760；Key laboratory of Marine Mineral Reasources，MLR，Guangzhou，510760）Abstract：For underwater robot manipulator grab special tools and operation accurate，fast，reliable smoothly requirements，design a kind of application of fuzzy synovial controller ROVThe controller of the dynamic performance depends on the sliding mode coefficient，and the parameters of the controlled objects，not state rail line remains in on the switch，so as to achieve global robustness，and improve the precision of the position control system The union simulation results show that the controller has good dynamic，stable performance and strong robustness，can make underwater robot manipulator smooth operation quickly and Key words：ROV；Fuzzy；Silding；The Union Simulation
空间压缩感应法的领域 指向性估计。 介绍。 各种技术领域的方向性估计 在文献[1],[5]。因此,进行了理论分析 水听器阵列之间的关系和输出 噪声场进行了[1],[5]。发达的技巧 基于阵列输出或crossspectral声源定位 阵列天线阵元输出之间的矩阵,[4],[5]。这个 一场的问题,利用方向性估计在海洋中 横线阵拖也在文献[5] [8]。最近,问题的波达方向与领域的方向性 估计为移动传感器阵列吸引了 新的[9],[12]。它显示一个数组的运动 可以改善数组的一致性假设颞性能 连续的样品[10]-[11]。在[12],波场 抽样方法,利用线性关系 汽车所产生的噪音和收集的声源定位。输出 各阵方向。结果显示 通过抽样的方法优于其他(WS)的测试 方法。该算法通过递归的实施 估算方法及其收敛的独特的解决方案 承诺是为某一特定的数组取向和吗 看起来问路。声源定位然而,对于一个适当的方法 数组的定位与声源定位看起来方向序列 选择仍然是个谜。 这个领域的质量评价是确定的方向性 角分辨率的。较高的分辨率 是,更准确的估计的远场源, 更好的检测性能才能得以实现。之一。 基本关系中的阵列信号处理是那个 角分辨率的数量成正比 这个数组的元素[13]。这种关系的愿望激励 长阵列,可达到更高的分辨率。不幸的是, 矛盾的要求执行 安装,激发短的数组。另外, 执行长的阵列机动平台 如无人水下车辆(UUV),甚至可以 可能[14]。这些矛盾,激发探索 替代阵列信号处理方法。 通常,磁场定向被视为一个有限的集合 强窄带来源和各向同性远lowpower 噪音[1]。在这部作品中,该模型的领域的方向性 摘要采用以下方法。首先,轴承的角度 空间是均匀采样到大量的离散 角。其次,是认为乙醚高能源 与强大的远源或低能耗 这与各向同性噪音收到传感器 从每一个数组的方位角度离散。------------------------------------
水下机器人可以帮助打捞沉船Underwater robots can help salvage shipwrecks
一个健壮神经网络控制器(NNC)为水下的车跟踪的控制被提出以不确定性。 控制器通过使用backstepping的技术和Lyapunov作用设计得到与神经网络证明的组合。 塑造错误和环境扰乱在数学模型被考虑。 而H∞控制战略用于达到L2获取表现，介绍二层数神经网络补偿塑造的错误。 循轨误差和NN重量的一致地最后一定(UUB)稳定通过提出的控制器被保证。 调整算法的on2line NN重量也提议。 跟踪的控制系统的好表现由数值仿真的结果说明。
美国海军研制的AUV－AUSS水下机器人也称作潜水器(Underwater Vehicles)，诞生于20世纪50年代初。美国海军研制的AUV－AUSS水下机器人的种类很多，其中载人潜水器、有缆遥控水下机器人(ROV)、水下自动机器人（AUV）是三类最重要的潜水器。回顾水下机器人的发展历史，我们从中可以看到人类征服海洋的进程。最早出现的潜水器是载人潜器，这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生。20 世纪50 年代末期，美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人——“SPURV”，这艘AUV 主要用于水文调查。从60 年代中期起，人们开始对无缆水下机器人产生兴趣。但是，由于技术上的原因，致使AUV 的发展徘徊多年。随着电子、计算机等新技术的飞速发展及海洋工程和军事方面的需要，AUV再次引起国外产业界和军方的关注。进入20世纪90 年代，AUV 技术开始逐步走向成熟。
从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。 1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。 1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。 这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中 28艘 用于工业服务。1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。 1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有研究项目，而且还有较大型的长远计划。1988年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。中国水下机器人2009年首次在北冰洋海域冰下调查。“大洋一号”科学考察船第21航次就在开始不久的第三航段考察中，“大洋一号”首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。这一发现标志着中国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。依靠“大洋一号”船的精确动力定位，中国自主研制的水下机器人“海龙2号”准确降落抵达“鸟巢”黑烟囱区海底，并展开了摄像观察、热液环境参数测量。 2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人问世。哈尔滨工程大学船舶工程学院5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。这款机器人获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。 2012年日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代由潜水人员去完成的危险水下作业。在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。2015年3月19日，中国自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286进行深水设备测试，首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深海底，这是国内首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深的南海。
机器视觉就是机器的视觉，换句话说：就是将视觉感知赋予机器，使机器具有和生物视觉系统类似的场景感知能力。视觉是我们最强大的感知方式，我们可以在不实际接触的情况下，通过视觉感知的方式获取周围环境的很多信息。在计算机出现后，人们开始尝试将视觉感知能力赋予机器。由于生物视觉系统非常复杂，我们目前还不能使得某一机器系统完全具备这一强大的视觉感知能力。我们现阶段还是致力于：构建一个在可控环境中处理特定任务的机器视觉系统。由于工业中的视觉环境可控，并且处理任务特定，所以现如今大部分的机器视觉被应用在工业当中。
机器视觉系统的目得就是通过机器视觉产品（即光源、镜头、相机、采集卡）将被拍摄的目标转换为图像信号，传送给机器视觉软件（即图像处理系统），来代替人眼的测量、检测和判断。其原理是由计算机、图像处理器以及相关设备来模拟人的视觉行为，完成得到人的视觉系统所得到的信息
机器视觉系统就是利用机器代替人眼来做各种测量和判断。它是计算科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。图像处理和模式识别等技术的快速发展，也大大地推动了机器视觉的发展。
首先来阐述一下，我们为什么要利用机器人视觉技术来识别“二维码”。其实大家都不知道二维码的由来，但是大家肯定都知道去超市买东西最后结账的时候，会有机器扫描物品上的条形码然后显示价格。条形码就相当于一维条形码，只有x轴有视觉识别系统能识别的出来的二进制编码；二维码又称二维条码，是它里面黑白相间的小方块其实已经被换算成二进制编码，而且是x、y轴都有相应的换算，然后才可以被机器在线检测到。到这边大家大概知道了机器是如何识别二维码的了吧，但是这才算是机器人视觉的初级技术，在苏州机器视觉检测领域，现在的程度是我们不需要将被识别的物体换算成二进制编码。力泰科技正在做的就是设计视觉识别系统，能够直接接收人类所看到的物体，进而理解并分析，然后系统自己就会将识别到的物体转换成结果输出到用户的需求。看！这就是机器人视觉强大的功能，未来这项技术会运用到各行各业中，尤其是锻造工业，可以替代工人体验艰苦的环境。