水下載具發展

授課老師: 趙世峰、翁健二、顏志峰

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國立高雄科技大學

National Kaohsiung University of Science and Technology

水下無人載具之發展歷程(1/3)

• 世界上第一部水下無人載具是法國人第米特里·瑞比克夫（Dimitri

Rebikoff）在1953年發明的，屬於ROV

• 最早將水下無人載具投入軍事用途，並有公開紀錄的是美國海軍，由華盛頓大學應用物理研究所於1957年所開發，其開發目的是為了下水下擴散效應、聲學傳遞等軍事研究。

圖片來源：維基百科

水下無人載具之發展歷程(2/3)

• 1966年三月，名稱為Alvin的水下載具找尋到美軍掉落於海底深處780公尺的氫彈，後由名為CURV的無人載具將該氫彈取回水面

圖片出處:https://www.whoi.edu/main/history-of-alvin，http://cyberneticzoo.com/tag/curv/

水下無人載具之發展歷程(3/3)

• 1973年，使用ROV救出在愛爾蘭岸邊沉沒潛艇的船長

• 1980年代，ROV大量投入於商業用途，如離岸原油場地之探勘

• 1990年代，AUV開始投入於軍事用途

近年無人水下載具市場趨勢圖

1966年氫彈事件奠定水下無人載具發展契機

• 深海下的工作是可達成的 • ROV是一種可靠的科技，可使在水面上操作的人員安全工作 • ROV帶來更經濟、有效率、且安全的深海探勘

CURV III

圖片出處:https://en.wikipedia.org/wiki/CURV

CURV II CURV

水下無人載具之應用

• 石油開採 • 海底礦藏調查 • 水下搜尋與打撈 • 海洋科學探勘 • 水下設施檢測作業 • 軍事作戰

ROV用於深海生物探索

• 圖片來源：http://science.sciencemag.org/content/344/6185/677.3.full

• 每下沉10m，海水壓力增加一大氣壓，人類潛水世界記錄為534m • 馬里亞納海溝最深達11034m，科學家利用ROV在水底8000m處發現獅子魚 • ROV – Nereus(海神號) 2009年達成海底10902m的最深探索世界記錄

ROV用於海洋生物拍攝(影片)

• 影片來源：國家地理頻道，https://www.youtube.com/watch?v=GtMmCrrmlAw

科學家在馬里亞納海溝8000米深處，到底發現了什麼?(影片)

• 影片來源：https://www.youtube.com/watch?v=V2SwePAZFWY

鐵達尼號掀起了水下考古熱潮

• 圖片來源：http://www.bbc.com/earth/story/20170310-the-wreck-of-the-titanic-is-being-eaten-and-may-soon-vanish

• 1912年，鐵達尼號在加拿大紐芬蘭外海撞上冰山沉沒 • 1985年，美國海軍使用聲納(Argo)及高解析度攝影機找到鐵達尼號殘骸 • 1986年，美國重回現場，使用水下載具”Alvin”及”Jason Junior”探

索鐵達尼號殘骸

科技新探鐵達尼(影片)

• 影片來源：國家地理頻道，https://www.youtube.com/watch?v=iXmASYh_4aA

AUV(自主式水下載具)之未來發展潛力

陸地：無人車 海洋：AUV

圖片來源：http://auvac.org/configurations/view/207

• 外型流線造型 • 不需人員操作，靠程式執行工作 • 適合長期性、例行性、大範圍的工作 • 油氣探勘、海圖繪製、或軍事用途等 • 靠水下聲波定位系統推算航定方位

BlueFin 21 AUV 用於馬航370搜尋(影片)

• 超音波掃描海底地形: 將聲波轉換為電子訊號，再用電腦將電子訊號用數位訊號處理轉換為圖片(https://www.youtube.com/watch?v=xXlw5t1vlPc)

AUV之軍事應用

圖片來源：http://www.ffi.no

• 淺水區及深水區皆可作業 • 自動導航、自動避雷、水雷位置標示、海底地形繪製(聲納) • 透過衛星進行通訊傳輸 • 未來戰場上陸、海、空之無人載具將同時進行作戰作業

水下無人載具軍事戰術模擬(影片)

• 影片來源：國家地理頻道，https://www.youtube.com/watch?v=WjE9ig9HU4E

水下載具研究技術範疇

• 水下聲學技術應用 • 水下通訊技術 • 水下載具動力系統 • 水下載具操控及導航系統 • 水下輔助作業裝置 • 水下感測元件技術

水下聲學技術

• 水中聲學是利用水中聲波當作導航、訊號溝通或水中辨識的一門科學

• 由於電磁波在水中衰減的速率非常的高，無法做為偵測的訊號來源，以聲波探測水面下的人造物體成為運用最廣泛的手段

• 可用來測量海洋底面的地質層理分析 • 水中聲波儀器所使用的頻率範圍為10K ～ 500 KHZ • 側掃聲納通常拖於船後，聲波經海床反射回之訊號由本身的接收

器接收並透過電纜傳至紀錄器，回訊經紀錄器處理後再和定位資料結合即可得到探測範圍的海床影像。

水下通訊技術

• 有線通訊：傳輸資料量大，但維護成本高 1. 海底電纜、光纜:是用絕緣材料包裹的導線，鋪設在海底，用於設

立國家或地區之間的電信或電力傳輸。

• 無線通訊： 1. 藍綠光雷射(~700m)：水下藍綠雷射通信具有海水穿透能力強、數

據傳輸速率快。 2. 聲波(數十公里):聲音是靠物質之間的震動來傳遞壓力波能量，物

質密度愈高傳遞效率越好，水的密度比空氣高很多是個聲波傳遞的良好介質

3. 電磁波(小於100m，距離短且資料量小)：需使用300Hz極低頻電磁波避免訊號衰減，但會造成所需之天線長度過長且傳輸資料頻寬不足

水下載具動力系統

• 水下載具的動力系統設計主要可分兩種形式，第一種是將馬達、變速裝置與螺旋槳設計並嵌入於機體內，第二種則是將動力系統獨立模組化成一水下推進器，後再安裝至載具上。

• 水下滑翔機(AUG)本身並沒有自主動力來源，它是利用控制機體內浮球大小改變浮力，使機體能在水中上升下降，同時由機翼將此升降能量轉換成前進的動力。因此水下滑翔機的能源消耗遠比一般自主水下載具來的低，適合執行長時間或距離橫跨大洋的資料收集任務

• 水下載具動力系統之目標：高續航力、高工作時間 • 所面臨之挑戰：電池體積大小、低耗能系統研發

水下載具操控及導航系統

• 慣性導航系統(INS)：使用加速計及陀螺儀來量測載具的加速度及角速度，估算出載具位置、速度及姿態。INS 的優勢在於給定了初始條件後，不需要外部參考資料就可推算出當前所在位置、方向及速度。這可以想像成被蒙上眼睛的乘客坐在汽車中，感覺汽車左轉、右轉、上坡、下坡，僅根據這些信息他知道了汽車往哪裡開。

• 聲學導航系統：聲學導航系統前提需在水下佈設詢答機(Transponder) 陣列，然後多個聲學信標來測量聲單元的相位差，根據聲信號傳輸速率計算聲學信標之間的相對位置，然後以甲板單元聲學信標的定位信息解析AUV實時的位置

• 其它：GPS, USBL

參考資料來源：https://kknews.cc/zh-tw/military/y6v86og.html

水下作業裝置

• 水下作業裝置是水下無人載具的核心，依不同的任務需求，所要搭配的裝置不同，但共同的是這些裝置都需具備防水、耐水壓，抗腐蝕及防鏽等基本條件

• 機械手臂:夾取、搬運、組裝，對接等 • 水下切割、焊接裝置 • 水下清洗、噴漆裝置 • 水下攝影機 • 水下照明裝置 • 聲納系統

• 超音波影像感測系統：海底地形繪製 • 運動感測系統：防碰撞、姿態調整 • 水下光學(影像)感測：拍照、攝影、目視作業 • 都卜勒聲納：計算水下載具速度 • 磁力式方向角感測儀：判斷水下載具之運動方位 • 傾斜儀(陀螺儀)：用於姿態調整 • 深度計(壓力計)：感測水底壓力，判斷所處深度

水下感測元件

台灣水下無人載具之發展現況

• 2006年，成大、中山聯手研發第一個ROV，潛航深度為300m • 2012年，玉豐海科完成台灣首台自製水下600m作業ROV • 2017年，玉豐海科自主研發3000m水下作業ROV • 2017年，國研院海科中心研發3000m水下ROV • 2018年，中山大學開發出水下4000m拖曳式ROV • 2018年，詮日儀海測公司利用ROV打撈在海底1000m之黑鷹直升機

圖片來源：自由時報

ROV DIY

• 許多網站提供水下無人載具之DIY教學，可以動手自己做一台可下水的ROV

• http://www.cavedu.com/rov/ ，https://www.instructables.com/id/Underwater-ROV/

圖片來源：https://www.openrov.com/

參考文獻 [1] 維基百科-水下自主載具網頁。檢自https://zh.wikipedia.org/wiki/自主水下載具，2017年6月10日

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[3] TechNavio, Global Unmanned Underwater Vehicles Market 2015-2019, Sep., 2015

[4] 國家地理頻道網頁。檢自https://www.youtube.com/user/NGCTaiwan

[5] 宋祚忠、郭振華，水下機器人─探索深海祕境的超級武器，科學發展 2015 年 3 月│ 507 期

[6]楊雅兆,邱意明,陳慶盈,穆凌吉,楊文昌,郭振華, 自主式水下無人載具技術研析, 第34屆海洋工程研討會論文集 國立成功大學, 739-744頁， 2012 年11 月

[7] 林鎮洲, 水下航行機器人, 國科會專題研究報告, 國立台灣海洋大學機械與機電工程學系, 2002.

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[9] P. Corke, C. Detweiler, M. Dunbabin, M. Hamilton, D. Rus, and I. Vasilescu, Experiments with Underwater Robot Localization and Tracking, IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 4556–4561, 10-14 April 2007.

[10] A. Leonessa, Underwater Robots: Motion and Force Control of Vehicle-Manipulator Systems, IEEE Control Systems Magazine, vol. 28, no. 5, pp. 138– 139, October 2008.