第1章　水下机器人概述

1.1　应用背景和意义

海洋面积广阔，蕴藏着丰富的资源，如石油、天然气以及各种各样的矿产等，因此21世纪又被称为海洋的世纪[1]。现如今随着人口的急剧增加，陆地上的资源消耗速度急剧增加，导致能源供给十分紧张，但由于目前科学技术的发展还没有达到利用太空资源的水平，因此人类加大了对海洋资源的探索力度。地球的表面积有5.1亿km2，其中海洋面积占70%，其总面积约为3.6亿km2[2-3]，总体积约有14亿km3。海洋中蕴藏着丰富的资源，其中海底石油约有3000亿t，占全球石油资源总量的34%，天然气资源约有140亿m3，海洋中的锰存储量约为陆地存储量的68倍，铜的存储量约为陆地存储量的22倍，锂的存储量约为陆地存储量的274倍，对比陆地资源，可以看出海洋中富含丰富的资源。同时，中国的海岸线长达18000多千米，管辖海域约300万km2，相当于我国陆地面积的1/3，还分布着面积大于500m2的岛屿5000多个，属于海洋大国。由上述信息可以看出中国海域蕴藏着丰富的资源，因此制定正确的海洋发展战略，积极开发利用海洋资源，对我国经济的可持续发展具有重要意义。

目前，海洋资源已经被一些发达国家所开采，海洋资源已经成为了各个国家争夺的重点，海洋已经成为国际战略的重点，所以水下探测技术以及海洋的开发手段已经成为研究人员继续研究的课题。与一些发达国家相比，中国虽然是一个海洋大国，但人们对于海洋资源的探索还处于萌芽阶段。近年来，随着海洋研究和开发的不断深入，人们更加重视对水下探测工具的研究，为了更好地探索海洋、开发海洋和维护我国的海洋资源权益，研制出智能、多用途的水下机器人是大势所趋。

水下机器人作为人类探测和开发海洋的工具，是一种无人水下潜水器[4]，具有感知系统，通过遥控或者自主的操作方式，使用机械手或者其他工具去完成水下作业的装置。水下机器人的应用对于人们充分利用海洋资源，发展国民经济有着重大意义。目前水下机器人的应用范围有海洋环境检测、海底资源调查、海洋开发、水下数据采集等。水下生物在水下运动时具有高效性、高机动性能，随着仿生学、机器人学、流体力学、电磁学、自动控制理论等学科的不断进步，新型高速、机动灵活的水下仿生机器人，成为科学家的研究重点。水下仿生机器人是人工智能、自动控制、模式识别等技术的集成体，它的系统具有非线性、时变性、不确定性等特点，同时水下的环境也具有不可预测性和复杂多变性，因此，充分了解水下仿生机器人的外部结构和内部控制算法是保证水下仿生机器人准确、安全、稳定工作的前提要求，这也正是水下仿生机器鱼的研究目的。