海底爬行者：新型海洋水下机器人工具

人们普遍认为，生命始于海洋，然后逐渐转向陆地。在履带式机器人的情况下，这种趋势是相反的。在 2000 年代初期，在重大国防需求的推动下，紧凑型地面机器人迅速发展。iRobot 的 PackBot 和 Foster-Miller 的 Talon 等产品开创了便携式高性能地面机器人的先河。在恶劣环境中运行的需求使这些工具坚固耐用，并具有启发性的完全防水变体。不幸的是，当时能源存储、自主性和遥测技术的限制使海底爬行机器人成为一种新奇事物，而不是一种生产工具。这已经改变了。

Today C-2 Innovations, Inc., (C2I) 开发了一系列功能强大、可用于生产的海底爬行机器人，可将用户带回冲浪区并进入大海。该系列包括紧凑型海獭和更大的海牛。

Sea Otter Surf Zone Crawler (SZC)，图 1，是第二代完全自主的两栖海底水下爬行机器人，能够在高达 100 米的深度通过高水流状态并在陆地上运行。如果没有系绳，该系统可以在以前的系统无法在区域和水流中运行。

图 1：Sea Otter Surf Zone Crawler

C-2i Otter 可以在水下行驶 16 公里或在陆地上行驶 20 公里，并且可以驻留一个月；根据命令或预先安排的超时返回。在混合环境中运行的能力是独一无二的，而 SZC 允许进入水面艇、游泳者或人类技术无法进入的区域。Sea Otter SZC 在低能量边界层运行时以负浮力运行。低剖面进一步减少了电流阻力。该两栖海底水下爬行机器人在 1.5 米的急流中运行，可以穿越不支持人力负载的松软地形。最近的测试证明了能够携带 40 公斤的有效载荷以及在各种海洋表面拖曳 45 公斤的雪橇的能力。

Otter-SZC 的规格包括：

• 对称双面操作，适用于在大浪中操作

• 重量：干重45公斤，长1米，宽55厘米，高25厘米（可扩展长宽）

• 速度：前进或后退，可变速度高达 1-m/s

• 导航：3轴IMU、FOG、双编码器、双面、双频GPS

• 控制：用户选择完全自主（预编程）、系绳或无线电控制

• 电池：可充电锂离子

• 端口：充电端口、编程以太网端口、两个访客以太网端口

海獭设计是模块化的。右舷和左舷浮筒是核心件，但可以通过加长惰轮链轮支架或更换连接桥来改变长度、宽度和离地间隙。当前设计包括两个以太网访客端口和用于额外电路板（如数据采集或视频板）的内部空间。

模块化设计允许在几分钟内安装捆绑式有效载荷，而无需考虑有效载荷的形状、体积或重量。有效载荷包括盐度、浊度、声速深度、各种相机、成像声纳、可释放浮标、土壤穿透计和电磁传感器雪橇等。

电池和所有电子设备都包含在轨道体积内，最大限度地提高有效载荷舱的自由体积，同时最大限度地减少“触底”。宽阔的轨道导致地面压力在干燥时小于 1.3 千帕，在水下时为 0.43 千帕。可以修改履带设计以获得更积极的抓地力，或者将履带设计得更宽更长以减少与地面的压力接触。添加了挡泥板以最大程度地减少湍流和阻力。

通过融合来自单轴光纤陀螺 (FOG) 和 3 轴惯性测量单元的数据来实现自主导航精度。双频 GPS 在浮出水面时会收到定位，并用作交叉检查位置。每个驱动侧的轴编码器测量行进距离。

通常已达到总范围的 2% 的精度。计算就地转弯 (TIP) 和圆弧转弯以保持路径精度。图 2 显示了缅因州约克威尔斯海滩沿线的预编程梯形搜索模式。测试在涨潮时进行，系统被淹没（注意照片处于退潮时）。

图 2：海獭梯搜索模式

除了海獭，还有更大的变种。Sea Ox 是一种多功能的海底爬行器，专为海底测绘和采样而设计。与 Sea Otter 一样，模块化设计便于运输、存储和部署。该系统设计为自主操作或通过系留或射频命令操作。Sea Ox 的标准配置为 122 x 122 x 30 厘米，但可以快速扩展以增加航程或牵引能力。如图 3 所示，Sea Ox 的海底航程为 32 公里，可通过添加电池组将航程延长至 64 英里。两栖海底水下爬行机器人的总重量为 113 公斤，如果在高海浪中运行，可压载至 230 公斤。

图 3：带有拖曳有效载荷雪橇的 Sea Ox

Sea Ox 最初设计用于牵引包含由 White River Technologies, Inc. 设计的双电磁感应 (EMI) 线圈的仪表雪橇。60 x 180 厘米的雪橇包括仪器在内重 30 公斤。在不考虑浮力或体积考虑的情况下，Sea Ox 及其雪橇已用于固定附加的客户仪器包，例如 CTD、溶解氧 (DO)、声波记录器、声学成像仪和声学多普勒电流剖面仪 (ADCP) . 正在开发的是一个多点取心系统，用于从海底环境中带回物理样本。

两个引人注目的应用程序

海底水下爬行机器人不是简单的新奇事物；它们支持许多关键应用。海牛的两栖性质允许在陆地上作业，通过并包括过渡区到 100 米的深度。30 厘米的低剖面通过在较低速度的土壤/水边界层中运行来减少阻力，并允许它在地面交通下不显眼地运行。宽轨道产生极低的 0.0186 bar 地面压力，可以通过比人类小一个数量级的极其柔软的地面。凭借 16 公里的水下范围（32 公里以上的水面），它可以在一天内测量整个海滩。Sea Ox 的模块化设计使其可以手提通过敏感的海滩区域，并且可以由一个人从岸上发射和回收；将调查成本降低到传统系统的一小部分，其中后勤成本可能超过实际操作。最近的一些应用已经证明了这种潜力。

UXO Remediation

Sea Ox 是一个便携式底部移动平台，用于在过渡、冲浪和非常浅水区域进行 UXO 调查。由国防部的环境技术示范和验证计划环境安全技术认证计划 (ESTCP) 资助，Sea Ox 展示了：

• 低剖面设计允许系统在边界区域运行，最大限度地减少暴露于电流并最大限度地减少阻力和波浪影响

• 强大的模块化轻量化设计允许调整占地面积和压载物，以适应通过低承压土壤和淤泥的运输，同时为拉动仪表雪橇提供牵引力

• 模块化和现场组装允许单人运输穿越环境敏感或困难的地形

• 极低的自生电磁 (EM) 和声学噪声最大限度地减少仪器干扰

在这次任务中，Sea Ox 拖曳了 White River Technologies, Inc. (WRT) 的海事 Flex-EM 探测器阵列。

项目目标

• 评估通过在一系列地形和海况中携带和拖曳的仪器包进行综合地球物理调查的能力

• 使用牵引包制定机动策略

• 确定映射、覆盖精度

• 评估小型模块化设计的运营优势

• 展示完整的生命周期成本效益，包括动员和复员、针对环境和有效载荷支持的现场特定车辆改装、卡住车辆恢复以及维护和维修

这些都完成了。更强大的 Sea Ox 是模块化的，具有单个工具组件和 25 公斤的最大组件重量。它可以为多地点、自行部署的昼夜和季节性站点特征提供长达一年的站点维护。

海底爬行器是一种新兴的海底机器人类别。通过改进的组件技术，这些工具现在可以提供有用的性能。为了通过冲浪区进行持续、精确的调查，现在有可行的机器人平台将我们带回大海。

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