客观日本

资源勘探技术(4)

2011年12月20日 科技交流

中日资源勘探机器人设备的研究进展

随着科学技术的迅速发展,中国和日本的机器人工学研究也取得很大进展,尤其是资源勘探机器人的研究开发备受瞩目。本文以海洋资源勘探机器人的研究开发为主,论述中日两国资源勘探机器人的研究开发。

提起资源,近年来,其开发对象已经扩展至地下、深海(海底)、宇宙等领域,用于资源勘探的机器人也在上述环境下展开各种各样的开发。就地下的资源开发而言,以金属矿产资源、非金属矿产资源、稀有金属、核燃料矿产资源及能源资源为对象,与地球物理勘探、地球化学勘探及钻探相关的各种尖端技术正在被开发应用。谈起该领域的机器人开发,采掘作业的机器人化及其应用受到广泛期待。在航天勘探中,日本的无人探测器“隼鸟”号(Hayabusa)曾经登陆小行星“系川”(Itokawa),并利用图像识别技术成功实现自主着陆及采样。尤其是随着航天开发基本法的成立,人们正在探讨今后如何实施航天开发。在此当中,日本的机器人技术已达世界最高水平(例如月球及行星勘探机器人的开发等),全球都期望将其应用于航天活动中。另一方面,中国首架载人飞船“神舟五号” 于2003年10月15日在甘肃省酒泉卫星发射中心用“长征二号F”运载火箭成功发射,成为继前苏联和美国之后第三个成功发射的国家。杨利伟宇航员在高度达343km的圆轨道上绕地球14周(飞行距离达60万km),经过21小时23分钟的太空行程之后,于16日顺利返回。此外,中国还将月球勘探作为国策予以推进,2007年11月发射探月卫星“嫦娥一号”,其后,该探月卫星成功拍摄了月面图像。在今后的航天勘探计划中,预定于2011年发射探月卫星“嫦娥二号”,并于2013年使月面软着陆器“嫦娥三号”着陆,以便完成月球采样返回任务(Sample Return mission)。为此,中国也在开发摇臂转向架式悬架机器人和曲柄滑块悬架机器人等轮式行星勘探机器人。

 接下来就海洋资源勘探机器人的研究开发进行论述。大陆架和深海海底蕴藏着丰富的资源,为此,日本于2007年施行海洋基本法,并于2008年制定以海底矿床的采掘等为基本内容的海洋基本计划。日本近海的矿床中含有金、铜、钴等金属,据估计,仅浅海底矿床的市场价值便达70兆~80兆日元。人们正期待对其进行调查,并开发用于采掘的大型海洋机器人。如果可以用世界最高水准的机器人技术采集到海底资源,能源问题便迎刃而解。近年来,中国也开始积极致力于开发海洋资源的海洋机器人的研究开发,其中自主式无人潜航器(AUV: Autonomous Underwater Vehicle)的研究开发尤为兴盛。此外,在海洋中每增加十米的深度便会增加一个大气压,因此需要一种能够抵抗水压的结构。海洋中的盐分会阻碍电磁波通过,因此很难取得与地上同等的通信效果。而且由于没有空气,无法直接利用发动机等陆地上的普通动力源,也无法直接利用陆地上的技术。从实质上讲,其所需要的技术比航空领域更难。此外,就海洋机器人而言,如果是简单的观测活动,目前正能够逐步实现全自动操作,但由于对周边环境的认知能力有限,因此只能做一些诸如通过声波调查地形之类的、不大需要考虑回避障碍物的动作。例如,有的海洋机器人与调查船之间以电缆相连,通过操纵便可自动潜航。

勘探机器人

为了在船舶及有缆调查船等难以靠近的场所实施调查,海洋研究开发机构(JAMSTEC)正在开发能够自动进行航行观测的自主式无人潜航器(AUV)“浦岛”。

“浦岛”是机体中内置有计算机的自主式海洋勘探机器人,能够按照事先设定的方案一边计算自身位置一边潜航。该潜航器的开发始于1998年,在2001年成功实现3,518m深度的潜航。此外在2005年,其作为搭载有燃料电池的AUV,创下连续潜航317km的世界纪录,受到极大关注。

“浦岛”的照片

此外,日本将“浦岛”改良至可适应并追随起伏不平的海底,提高了搭载于潜航器中的声波测深器等仪器的精度,于2007年5月成功取得了冲绳海槽热液喷发区的热液丘堤及烟囱群的详细形状和分布示意。此外,诸如最大可潜航3,000m的探测器“超级海豚(Hyper Dolphin)”和具有10,000m级勘探能力的探测器“ABISMO”等能够在海中和海底实施观测取样等工作的无人遥控潜水器(ROV: Remotely Operated Vehicle)正在开发当中。

“ABISMO”的系统结构

东京大学生产技术研究所海中工学研究中心开发了中型自主式海洋机器人“r2D4”。在2005年和2007年,其在伊豆-小笠原海域的明神礁和Bayonnaise海丘的破火山口内潜航,成功地用小型的现场型锰分析仪、侧扫声纳(side scan sonar)、电视摄像机等进行了观测。

“r2D4”的照片

另一方面,中国科学院沈阳自动化研究所于1985年设计了中国第一台水下机器人 “HR-01号”,并进一步研制出深海机器人“CR-01”和“CR-02”。2008年,水下机器人“北极ARV”参加了中国第三次北极科学考察的冰下试验,在北纬84度进行了冰下实验。此外在2008年3月20日,6000m 级水下机器人“CR-02”在中国南海试验成功。目前,中国正在推进6,000m级无人潜水艇和7,000m级载人潜水艇的开发。中国也正致力于海底资源的利用,2007年5月在中国南海海底成功采集到有望成为未来重要能源之源的甲烷水合物。

“CR-01”的照片(左)“CR-02”的照片(右)

结束语

中日两国研究人员在资源勘探机器人的研究开发上取得了硕大成果,并以这些成果为基础制定了新的计划。今后应如何推进东亚区域的资源开发,勘探机器人应如何进一步展开?对于这些问题,只要秉持互惠精神,则可望获得进一步发展。最后,谨向在资料提供等方面予以大力协助的本校矢纳阳老师和研究生院博士后期课程姜丽华女士深表谢意。

引用文献:

1. http://www.jamstec.go.jp/j/about/equipment/ships/urashima.html 

2. 有关海洋矿产资源勘探的技术开发之应有状态(中期汇总草案),海洋开发分科会旨在有效利用海洋资源的研究委员会,2009年4月

3.http://news.searchina.ne.jp/disp.cgi?y=2008&d=0321&f=national_0321_009.shtml

4.http://dailynews.yahoo.co.jp/fc%2Fworld%2Fchina_space_exploration%2F#backToPagetop

5. http://underwater.iis.u-tokyo.ac.jp/top/sado/sado.html

 明聪

简历

冈山大学工学部系统工学科副教授。

生于1964年4月。专业为非线性控制、机器人控制及系统故障诊断的研究。1997年,熊本大学研究生院自然科学研究科博士后期课程结业。曾任熊本大学工学部智能成产系统工学科助手、英国埃克塞特大学研究员、NTT交流科学基础研究所研究员,2002年就任现职。于冈山大学工学部任职。在此期间,历任(社团法人)电子信息通信学会英文学术刊物A编辑委员、计测自动控制学会中国支部干事。现任计测自动控制学会论文集编辑委员会委员及International Journal of Advanced Mechatronic Systems编辑委员长。

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