统计得知, 海洋面积占地球总面积的70.8%, 在广阔的海洋空间里蕴含了非常丰富的资源。其中包含了海洋能源, 生物资源, 以及海洋热能和海洋矿物质资源。随着社会的发展, 城市化进程越来越快, 工业化水平不断提升, 人们对于可利用空间的需求也不再满足于陆地空间了。同时, 由于陆地可利用的空间相对来说比较狭小, 人们也逐渐加强对海洋空间的有效使用, 并有了很多显著的成效。便携式自主水下机器人是进行海洋探索和海洋地质调查以及水下资源开发的重要工具, 有些情况下, 可以说是唯一的探测工具。由此可以看出来, 便携式自主水下机器人在进行海洋开发与利用的过程中非常关键, 其重要程度不次于航天飞机在宇宙探索中的作用。

作为一种海洋地质调查工具和运载工具以及潜水设备, 便携式自主水下机器人在海洋资源利用方面的作用非常重要, 是人类社会向海洋迈进的主要工具。很多情况下, 便携式自主水下机器人可以完成一般潜水技术或工具不可能完成的深度作业, 能够在更深的海洋环境下进行综合调查和研究, 同时还能完成很多项探测活动任务, 是一项非常重要的技术和工具。例如, 在进行海洋资源开发的过程中, 便携式自主水下机器人可以在深海调查海洋资源、勘探海洋地质情况、采集海底的生物样本、拍摄海底的地形和地貌、对海底进行绘图、调查水文状况、检查和维修海底的石油管道和越洋电缆、以及检测和维修海洋的石油平台与工作站, 等等。由此可见, 便携式自主水下机器人可以涉及很多领域, 为海洋相关工作提供更多的便利和发展空间。

便携式自主水下机器人是人们研究海洋、开发海洋资源的重要工具, 得到了上很多国家的重视和运用。从便携式自主水下机器人的发展来看, 在未来, 航程会更远、下潜深度会更深、机身体积会更小、功能也会越来越强, 为海洋地质调查工作和水下探测活动等带来更多的积极意义。在过去的十年之间, 全对于水下机器人的研究计划大约有六十多个, 与此同时, 还研究了大约两百多个水下机器人, 而便携式自主水下机器人是重要且功能性很强的研究成果。随着科学技术的快速发展, 以及海洋工业的需求不断提升, 便携式自主水下机器人也逐渐应用于商业发展之中, 这对于经济的可持续发展和资源的有效利用产生了重要影响。

“十二五”期间, 在国家高技术发展计划的认同下, 我国科学院沈阳自动化研究所为了切实满足海洋地质调查以及水下探测等活动的需要, 研究出了五十公斤级别的便携式自主水下机器人产品样机, 并拥有自主知识产权。该便携式自主水下机器人的外形呈鱼雷状流线型, 重量为46.5千克, 其长度为1.7米, 直径是200毫米。与此同时, 这个便携式自主水下机器人的航速达到3kn~5kn, 潜入海底的大深度是100米, 大的航程为70千米。从这些技术指标就可以看出来, 这个便携式自主水下机器人拥有速度快、灵敏度高等特定, 并且研制成本不高, 不仅满足了工程化的发展需求, 同时还能减少财力物力成本, 为海洋地质调查等相关工作的顺利进行提供积极作用, 是我国进行海洋探测的重要手段。

便携式自主水下机器人的系统是由水面支持系统和水下航行载体两部分组成的。一方面, 水面支持系统是由数据处理软件和便携式控制箱构成的, 主要的工作内容是使命程序的生成和仿真以及下载。与此同时, 水面支持系统还要分析已经获得的水下载体的状态信息, 属于一种人机交互的平台。另一方面, 水下航行载体的主要负责内容是将海洋环境探测和水下观测工作有效完成。水下航行载体是由控制系统和载体系统、观察系统、导航系统以及能源系统等构成的。其中, 载体系统的推进器设计方式是主推进器和X形舵, 四个舵页自己进行驱动, 再通过不同形式的组合方式, 来完成载体的俯仰控制和转艏控制。与此同时, 为了使载体可以有效的完成前进和后退活动, 主推进器可以进行正反转, 很好的提升了作业效率。通常情况下, 载体控制系统采取的分布式结构是多种通信方式, 主要的控制节点可以使用Linux多任务操作的系统, Linux是一个性能比较稳定且用户很多的网络操作系统, 采取Linux系统可以节省作业时间。同时, 导航定位系统由多普勒计程仪和电子罗盘以及机身上安装的全球定位系统组合而成的导航系统。此外, 为了更加有效的调查海洋地质情况和观察海洋环境以及开发利用海洋资源等等, 便携式自主水下机器人的载体上还要安装温盐深测量仪和侧扫声呐组合而成的水下观察系统。后, 便携式自主水下机器人的载体上的能源系统还要使用锂离子电池组, 根据每次工作的内容可以安装不同容量的电池, 可以使用一次电池或者二次电池。综上所述, 这就是便携式自主水下机器人系统的组成内容研究和应用方法的分析。

一方面, 便携式自主水下机器人的控制系统主要采取了分布式结构, 其中包含了水面支持部分、控制主体部分、通信设施部分、数据采集应用设备、电源的管理模块以及推进系统模块。其中, 水下载体和水面支持部分二者之间是通过四种沟通方式进行通信的, 包括铱星和无线电以及无线网桥与脐带电缆。首先, 铱星的传播距离比较远, 覆盖范围相对来说也很大。但是, 铱星的传播数据量不多, 还有数据延迟的情况出现。所以, 只能在应急的情况下使用铱星, 或者是航行结束后使用铱星定时传播导航的定位数据。其次, 无线电的数据延迟比较小, 但是它的传播距离不长, 只能用来完成传播实时遥控指令的工作。再次, 无限网桥的数据传输量很大, 而且数据信息真实可靠。不过, 无线网桥的数据传输距离更短, 根据这些特点可以完成使命文件下载工作或者测量的数据上传工作。后, 脐带电缆的数据传播量非常大, 还没有数据延迟的现象发生, 传播信号稳定, 非常适合在岸上进行调试工作。这四种沟通方式各具优势和不足之处, 可据他们自身的特点来选择适当工作内容, 的提升了控制系统的工作水平, 增强其科学性与合理性, 从而有效的提高了便携式自主水下机器人的作业效率与质量。

另一方面, 便携式自主水下机器人按照功能划分的话, 内部结构可分为两部分, 一部分是由主控计算机完成的航行器自己的平台控制工作。另一方面主要是进行采集观察到的数据, 由测量计算机负责完成, 二者之间通过网络通信的方式进行联系。这种机构模式有利于实现功能模块独立化的作业目标, 减少彼此带来的影响, 有利于更好的扩展监测设备。与此同时, 使用以太网通信, 可以方便内部计算机连接外部设备, 为工作人员的调试工作带来了很大的便利。为了使整个系统在硬件上做到密切连接, 主控计算机可以使用PC104总线的嵌入式系统, 并通过控制器局域网总线和电源管理部分以及推进系统部分之间进行通信。这种通信方法不仅可以提高通信的可靠性, 还能有效的减少通信的线缆数量。一般情况下, 主控计算机与导航传感器之间的距离比较近, 而且传播的数据量少, 所以会使用串口通信方式。与此同时, 控制器内部会单独控制各个用电设施, 以此降低便携式自主水下机器人的功能消耗量。测量计算机会使用耗能较低的处理器, 能够在便携式自主水下机器人航行时实时记录观察到的数据, 并在工作结束后, 对上传到水面支持系统中的观察数据进行系统的分析。

随着社会经济快速发展, 在陆地资源的日益减少的情况下, 占地球表面积71%并拥有丰富资源的海洋空间得到了人们的关注。为了更有效的探测海底资源, 人们研究出很多海洋地质调查和水下探测以及水下资源开发的工具。其中, 便携式自主水下机器人是一种帮助人们探索海洋的重要工具, 也得到了人们认可和重视。便携式自主水下机器人有效的实现了模块化目标, 操作起来比较容易, 同时它的体积相对来说还比较小, 在海洋地质调查工作中和水文环境调查以及海洋资源开发等方面发挥了很大的作用。便携式自主水下机器人在作业过程中拥有一定可靠性的控制系统, 具体体现在便于理解、操作简单、易于维护, 这也是在未来发展中人们更要完善的作业目标。由此可见, 便携式自主水下机器人是一种技术含量高且便捷的主要海洋勘测工具, 有效的应用能够为资源的有效利用和人类社会的发展提供了重要作用。