鄒鴻翔 蘇昌勝 趙林川 張文明 魏克湘,2)

* (湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖南湘潭 411104)

? (上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

引言

海洋環(huán)境傳感器、航行器/機(jī)器人等無人機(jī)電系統(tǒng)是人類探索與開發(fā)海洋的重要工具,在海洋監(jiān)測[1]、海洋作業(yè)[2]、海洋科考[3]等方面發(fā)揮著重要作用.海洋無人機(jī)電系統(tǒng)一般攜帶電池供能,但電池電量有限限制了無人機(jī)電系統(tǒng)的作業(yè)時(shí)長與范圍.盡管可以布置充電基站或供電船等為無人機(jī)電系統(tǒng)補(bǔ)充電能,但是這些設(shè)備設(shè)施一方面實(shí)施難、成本高,另一方面也限制了無人機(jī)電系統(tǒng)的靈活性[4].長期有效供能是制約海洋無人機(jī)電系統(tǒng)探索深海遠(yuǎn)海的瓶頸難題.

波浪能是最豐富并且可以被大規(guī)模應(yīng)用的可再生能源之一.波浪能的能量密度高于風(fēng)能和太陽能約1～2 個(gè)數(shù)量級,而且不受晝夜變化影響[5].將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,可以實(shí)現(xiàn)海洋無人機(jī)電系統(tǒng)的自供能傳感、控制與驅(qū)動,有望破解海洋無人機(jī)電系統(tǒng)供能瓶頸難題.此外,隨著化石能源面臨著枯竭和嚴(yán)重的環(huán)境問題[6-8],開發(fā)海洋能源能夠緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[9-10].

本文全面論述波浪能量采集、海洋無人機(jī)電系統(tǒng)和基于波浪能量采集的自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)的研究進(jìn)展,討論目前自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)并進(jìn)行展望,為解決海洋無人機(jī)電系統(tǒng)長期有效供能難題提供多維度參考,推動自供能傳感、控制與驅(qū)動等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,助力海洋無人機(jī)電系統(tǒng)航向深海遠(yuǎn)海.

1 波浪能量采集及自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)研究進(jìn)展

海洋蘊(yùn)涵豐富的能源,包括太陽能、風(fēng)能、波浪能和潮汐能等,與太陽能和風(fēng)能相比,波浪能具有功率密度大、可持續(xù)性高且分布廣等特點(diǎn)[11],能為海上設(shè)備提供動力支持以及大陸電網(wǎng)傳輸電能[12].如表1 所示,中國擁有300 萬平方千米的海域,中國波浪能理論儲量為5.74×1011kW[13].發(fā)展波浪能技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和深遠(yuǎn)意義.

表1 中國海洋能資源儲量[13]Table 1 China's marine energy resources reserves[13]

海洋波浪能采集裝置按驅(qū)動方式一般可分為離岸越浪式、振蕩水柱式和振蕩體式等(圖1),這3 種驅(qū)動機(jī)制是將波浪能量轉(zhuǎn)化成線性或者旋轉(zhuǎn)形式的機(jī)械能,然后通過機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)化為電能[14-15].波浪能轉(zhuǎn)化為電能可分為3 個(gè)階段,第1 階段是將波浪能轉(zhuǎn)換為勢能,第2 階段是將勢能轉(zhuǎn)換為動能,最后階段是將動能轉(zhuǎn)化為電能[16].

圖1 3 類波浪驅(qū)動機(jī)制Fig.1 Three types of wave driving mechanisms

機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制在波浪能量采集中具有重要作用.本節(jié)將基于機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制論述波浪能量采集方法,包括電磁波浪能量采集方法、壓電波浪能量采集方法、基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的波浪能量采集方法和復(fù)合機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制波浪能量采集方法.

1.1 電磁波浪能量采集

電磁波浪能量采集通過波浪直接或間接驅(qū)動系統(tǒng)中的永磁體與線圈產(chǎn)生相對運(yùn)動從而發(fā)電[17].慣性擺等易被低頻激勵(lì)激振的機(jī)構(gòu)被用于俘獲波浪能量.扇形質(zhì)量擺集成在海洋浮標(biāo)中,可以有效采集低頻波浪能量,最大輸出電壓可達(dá)15.9 V,輸出功率為0.13 W[18].Li 等[19]設(shè)計(jì)了一種全方位波浪能量采集系統(tǒng),通過直立式水平擺結(jié)構(gòu)俘獲波浪能量,其輸出電能波形能夠反映波浪狀況,可作為自供能傳感器進(jìn)行海洋波浪監(jiān)測.

波浪激勵(lì)不規(guī)則、頻率低,一般需要通過機(jī)械機(jī)構(gòu)將波浪激勵(lì)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和輸出電能品質(zhì)[20].Liang 等[21]提出了一種具有機(jī)械運(yùn)動整流功能的波浪能量采集器,通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)和單向軸承組合,將波浪激勵(lì)整流為單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.Pan 等[22]設(shè)計(jì)了一種電磁波浪能轉(zhuǎn)換器(圖2(a)),通過內(nèi)螺紋套筒和外螺紋驅(qū)動軸將海浪的垂直運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動.Chen 等[23]開發(fā)了一種混合波-流能量轉(zhuǎn)換器(圖2(b)),通過錐齒輪、單向軸承等組合將海面波浪和海下洋流能量同時(shí)轉(zhuǎn)換為電能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種混動提高了電力輸出.波浪激勵(lì)幅度大,也可以直接驅(qū)動相對簡單的線性電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)發(fā)電,但輸出功率比較低.

圖2 電磁波浪能量采集Fig.2 Electromagnetic wave energy harvesting

波浪激勵(lì)驅(qū)動機(jī)構(gòu)、機(jī)械整流機(jī)構(gòu)和電磁感應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對電磁波浪能量采集性能具有關(guān)鍵影響.一般電磁波浪能量采集系統(tǒng)輸出功率較高,但體積較大,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜和成本較高.

1.2 壓電波浪能量采集

壓電波浪能量采集利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,波浪直接或間接驅(qū)動壓電材料變形導(dǎo)致電偶極矩變化產(chǎn)生電壓[24].壓電能量采集功率密度較高,尤其設(shè)計(jì)很靈活,因此,壓電能量采集已經(jīng)成為將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的主要方式之一[25-26].壓電波浪能量采集一般采用壓電懸臂梁、壓電薄膜等壓電結(jié)構(gòu).

壓電懸臂梁在激勵(lì)頻率與其固有頻率接近時(shí)才能產(chǎn)生較大振幅從而輸出較高功率[27-30].Chen 等[31]提出了一種壓電波浪能量采集器,由浮體、齒輪升頻機(jī)構(gòu)和壓電懸臂梁陣列組成(圖3(a)).Viet 等[32]通過彈簧質(zhì)量系統(tǒng)將波浪運(yùn)動轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動,然后通過杠桿機(jī)構(gòu)放大作用于壓電材料從而發(fā)電.磁力耦合也常用于驅(qū)動壓電懸臂梁.Shi 等[33]提出了一種多向超低頻壓電振動能量采集器.波浪激勵(lì)球滾動,球滾動驅(qū)動環(huán)旋轉(zhuǎn),環(huán)通過磁力驅(qū)動壓電懸臂梁振動發(fā)電.He 等[34]設(shè)計(jì)了一種圓柱和錐形浮體結(jié)構(gòu)的壓電波浪能量采集器,浮體低頻上下運(yùn)動通過磁力耦合驅(qū)動壓電懸臂梁以較高頻率振動發(fā)電.

Du 等[35]在振蕩水柱式波浪能量采集器中采用壓電膜替代傳統(tǒng)的空氣渦輪機(jī)(圖3(b)),壓電膜在脈動氣壓作用下變形并產(chǎn)生電能.Chen 等[36]開發(fā)了一種壓電波浪能量轉(zhuǎn)換器,由浮體、升頻機(jī)構(gòu)和壓電膜組成(圖3(c)),通過柔性壓電膜振動發(fā)電,壓電膜諧振頻率是波浪激勵(lì)頻率的6 倍,從而可以提高壓電膜的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率.

壓電波浪能量采集方法具有結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高和成本低等優(yōu)點(diǎn).然而目前壓電波浪能量采集器輸出功率仍然較低.可以通過機(jī)械調(diào)制方式將低頻波浪激勵(lì)轉(zhuǎn)換為高頻激勵(lì),匹配壓電能量采集器從而提高輸出功率.非線性系統(tǒng)也可以被用于俘獲寬頻波浪能量[37].此外,壓電能量采集設(shè)計(jì)靈活,比如將壓電材料與太陽能水凝膠集成(圖3(d)),可以提高海水凈化速度[38].壓電材料將波浪能轉(zhuǎn)化為電能,重新激活水凝膠中的水,與非壓電水凝膠海水凈化器相比,活化效果提高了23%以上.

1.3 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的波浪能量采集

摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectric nanogenerator,TENG)基于接觸起電和靜電感應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能[39-41].摩擦納米發(fā)電機(jī)在低頻工況下表現(xiàn)出更高的能量轉(zhuǎn)化效率,具有高功率密度、高效率、低重量和低制造成本的優(yōu)點(diǎn)[42-43].摩擦納米發(fā)電機(jī)具有垂直接觸分離、水平滑動、單電極、獨(dú)立層等4 種工作模式[44].

雖然摩擦納米發(fā)電機(jī)相比壓電和電磁更適應(yīng)低頻激勵(lì),但是面對極低頻率波浪激勵(lì)工況,仍然需要升頻提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率.Jung 等[45]設(shè)計(jì)了一種倍頻圓柱形摩擦納米發(fā)電機(jī)采集低頻波浪能量(圖4(a)),在0.33 Hz 波浪頻率下,峰值功率密度為6.67 W/m3,并驗(yàn)證了具備為海洋觀測系統(tǒng)供電的能力.Zhang等[46]研制基于摩擦納米發(fā)電機(jī)獨(dú)立層模式的光柵型波浪能量采集器,可以有效俘獲低頻波浪能量.Gao 等[47]設(shè)計(jì)了一種陀螺結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī),用于采集低頻波浪能量.內(nèi)部和外部發(fā)電單元可以在不同方向上獨(dú)立運(yùn)動互不干擾發(fā)電.在6 m/s2的加速度激勵(lì)下,內(nèi)部和外部發(fā)電單元的開路電壓分別為730 V 和160 V.

圖4 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的波浪能量采集.(a)滾筒式摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集[45];(b)仿生蝴蝶式摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集[48];(c)仿生蓮花式摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集[50];(d)環(huán)面球摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集[51]Fig.4 Wave energy harvesting based on TENG.(a)Wave energy harvesting based on cylindrical TENG[45];(b)Wave energy harvesting based on bionic butterfly TENG[48];(c)Wave energy harvesting based on bionic lotus TENG[50];(d)Wave energy harvesting based on toroidal sphere[51]

波浪激勵(lì)隨機(jī)不規(guī)則,很多學(xué)者提出了多方向波浪能量采集設(shè)計(jì).Wang 等[48]提出了一種仿生蝴蝶翅膀摩擦納米發(fā)電機(jī)(圖4(b)),仿生葉片具有阻力放大效應(yīng),可有效俘獲多方向波浪能量.在1.25 Hz的頻率下,可以產(chǎn)生400 V 和2.9 μA 的電學(xué)響應(yīng).Qu 等[49]設(shè)計(jì)了一種球形偏心結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī),球殼內(nèi)設(shè)置了十二面體結(jié)構(gòu),用于全向波浪能量采集,有效地將不同方向波浪能量轉(zhuǎn)換為電能,并設(shè)計(jì)了能量管理電路處理和存儲產(chǎn)生的電能.Wen 等[50]提出一種花狀的摩擦納米發(fā)電機(jī)(圖4(c)),由6 個(gè)花瓣摩擦納米發(fā)電機(jī)和2 個(gè)花蕊摩擦納米發(fā)電機(jī)組成,可以采集6 個(gè)自由度的動能.Liu 等[51]提出一種環(huán)面結(jié)構(gòu)的摩擦電納米發(fā)電機(jī)(圖4(d)),由一個(gè)內(nèi)球和一個(gè)環(huán)面殼組成,多向隨機(jī)波浪激勵(lì)驅(qū)動球在圓環(huán)殼中旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)電.

摩擦納米發(fā)電機(jī)具有高能量轉(zhuǎn)化效率、超高輸出電壓及豐富的材料來源等優(yōu)點(diǎn),且由于摩擦納米發(fā)電機(jī)主要由高分子材料制成,具備優(yōu)良的抗腐蝕能力,可以在更小的空間和更簡單的結(jié)構(gòu)中將各種波浪能轉(zhuǎn)換為電能.高分子材料作為摩擦納米發(fā)電機(jī)的組成部分可能會對海洋環(huán)境造成污染,采用綠色環(huán)?？山到獾哪Σ良{米發(fā)電機(jī)材料,在設(shè)計(jì)波浪能量采集器時(shí)系統(tǒng)化考慮回收可以減少海洋污染.

1.4 復(fù)合機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制波浪能量采集

將多類機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制復(fù)合可以利用不同機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制的特性,增加輸出電能使用靈活性和輸出功率[52-54].摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)阻高,輸出電壓高、電流小;電磁發(fā)電機(jī)內(nèi)阻低,輸出電壓低、電流大.摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁發(fā)電機(jī)復(fù)合常用于波浪能量采集[55].Ouyang 等[56]設(shè)計(jì)了一種電磁與摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集器(圖5(a)),永磁球在波浪激勵(lì)下運(yùn)動通過電磁感應(yīng)發(fā)電,并通過磁力耦合作用激勵(lì)摩擦納米發(fā)電機(jī)接觸和分離發(fā)電.Sun 等[57]提出了一種擺動平移復(fù)合發(fā)電機(jī)采集海岸線上的波浪能量(圖5(b)),波浪激勵(lì)驅(qū)動滑軌中的永磁體滑動,電磁感應(yīng)發(fā)電,同時(shí)驅(qū)動多層摩擦納米發(fā)電機(jī)接觸和分離發(fā)電.Wang 等[58]提出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電磁與摩擦納米發(fā)電機(jī)波浪能量采集器,摩擦納米發(fā)電機(jī)折疊形成4 個(gè)腔室,通過獨(dú)立層模式發(fā)電.電磁發(fā)電機(jī)的永磁體嵌入靠近腔壁的折紙上,而線圈設(shè)置在腔壁上,能夠在寬頻波浪激勵(lì)下有效工作.Han 等[59]提出一種雙面絨和海爾貝克結(jié)構(gòu)的復(fù)合發(fā)電機(jī),利用絨毛增強(qiáng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的性能,海爾貝克增強(qiáng)磁場強(qiáng)度.

壓電能量采集器、摩擦電納米發(fā)電機(jī)和電磁能量采集器復(fù)合使用可以提高空間利用率[60].一種基于雙擺結(jié)構(gòu)的復(fù)合波浪能量采集器被提出,包括一個(gè)電磁發(fā)電機(jī)、兩個(gè)壓電發(fā)電機(jī)和兩個(gè)折紙結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī),3 類機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制合理布置提高了空間利用率[61].壓電能量采集器、摩擦電納米發(fā)電機(jī)和電磁能量采集器分別布置在系統(tǒng)表現(xiàn)出最大應(yīng)變、最大接觸面積和最大位移的地方,可以充分利用它們在結(jié)構(gòu)空間中的特性[62].幾類波浪能力采集器在相應(yīng)激勵(lì)下的輸出功率或功率密度列與表2.

表2 波浪能量采集方法比較Table 2 Comparison of wave energy harvesting methods

1.5 自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)探索

海域遼闊,長期有效供能是制約海洋無人機(jī)電系統(tǒng)探索深海遠(yuǎn)海的瓶頸難題.海洋充電基站或供電船等為無人機(jī)電系統(tǒng)補(bǔ)充電能,但是這些設(shè)備設(shè)施一方面實(shí)施難、成本高,另一方面也限制了無人機(jī)電系統(tǒng)的靈活性.海洋蘊(yùn)涵豐富的能源,包括太陽能、風(fēng)能、波浪能和潮汐能等.太陽能發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)商業(yè)化,發(fā)展較為成熟,但太陽能發(fā)電技術(shù)受地區(qū)、晝夜影響較大,同時(shí),太陽能電池板通常需要較大的安裝面積,這將在一定程度上增加海洋無人機(jī)電系統(tǒng)的體積,不利于小型化.與太陽能和風(fēng)能等相比,波浪能具有功率密度大、可持續(xù)性高和分布廣等特點(diǎn).將波浪能轉(zhuǎn)換為電能,可以實(shí)現(xiàn)海洋無人機(jī)電系統(tǒng)的自供能傳感、控制與驅(qū)動,有望破解海洋無人機(jī)電系統(tǒng)供能瓶頸難題.為海洋無人機(jī)電系統(tǒng)供能的波浪能量采集器既需要滿足功耗要求也要降低對海洋無人機(jī)電系統(tǒng)工作的影響,需要兼顧構(gòu)型和輸出功率.

1.5.1 自供能傳感器

海洋浮標(biāo)傳感器電源不足可能導(dǎo)致其監(jiān)測海洋數(shù)據(jù)在時(shí)間上不連續(xù),不能全面實(shí)時(shí)反映海洋狀況[63].浮標(biāo)所處的海洋環(huán)境具有風(fēng)能、太陽能和波浪能等.波浪能量高度集中在海面以及接近海面的水層,而海洋浮標(biāo)分布的位置正好位于此范圍內(nèi),波浪能更自然地進(jìn)入海洋浮標(biāo).海洋浮標(biāo)可以高效地采集波浪能量并應(yīng)用其能源為傳感器供能[64-65].

Wang 等[66]提出了一種可集成于浮標(biāo)內(nèi)部的可堆疊摩擦納米發(fā)電機(jī),波浪激勵(lì)浮標(biāo)在水平面上擺動從而推動PTFE 小球滾動發(fā)電,能為溫度傳感器、PH 傳感器、鹽度傳感器等海洋環(huán)境監(jiān)測傳感器供電.Wang 等[67]還提出一種內(nèi)置于海洋浮標(biāo)的波浪能量采集器,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,波浪能量采集器能產(chǎn)生1.4 W 的平均功率,為大多數(shù)小功耗傳感器供能.Liang 等[68]設(shè)計(jì)了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)用于水位報(bào)警的自供能浮標(biāo).摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電單元使用電荷激發(fā)模塊,從而大大增強(qiáng)了球形摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能,輸出電流和輸出功率可達(dá)到15.09 mA 和24.48 mW,成功實(shí)現(xiàn)了自供能水位報(bào)警功能.

Xie 等[69]設(shè)計(jì)了一種振蕩浮標(biāo)波浪能量采集器,圓柱形浮標(biāo)倒立安裝俘獲波浪能,浮標(biāo)上下運(yùn)動驅(qū)動電磁發(fā)電機(jī)單向旋轉(zhuǎn)發(fā)電,產(chǎn)生的電能存儲在超級電容中,為跨海大橋健康狀態(tài)監(jiān)測傳感器供電.Zhao 等[53]提出一種機(jī)械智能電磁-摩擦復(fù)合波浪能量采集器,如圖6 所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該能量采集器能夠在超低頻下有效工作,可以在6 min 內(nèi)將0.47 F 電容器充電至5 V,從而實(shí)現(xiàn)自供能PH 值、光照度和溫度等環(huán)境監(jiān)測及無線信息傳輸.

圖6 自供能海洋環(huán)境傳感器[53]Fig.6 Self powered marine environmental sensors[53]

1.5.2 自供能航行器/機(jī)器人

波浪滑翔機(jī)由水面上的浮子和水面下的滑翔機(jī)組成.水面浮子在波浪激勵(lì)下通過系繩拉扯水下滑翔機(jī),同時(shí)水下滑翔機(jī)上可翻轉(zhuǎn)機(jī)翼發(fā)生翻轉(zhuǎn),產(chǎn)生一直向前的驅(qū)動力.Tian 等[70]提出了一種混合滑翔機(jī),混合滑翔機(jī)由波浪能和太陽能供能,可根據(jù)不同需求在海洋表面或垂直剖面上滑行.

波浪能量采集器可以安裝在水下航行器/機(jī)器人的內(nèi)部或者外部.安裝在外部的波浪能量采集器能獲得較大波浪激勵(lì),但波浪沖擊較大以及導(dǎo)致外部阻力增加.安裝在內(nèi)部的波浪能量采集器具有更高的可靠性和穩(wěn)定性.Townsend 等[71]提出了一種用于水下機(jī)器人的波浪能量采集系統(tǒng),波浪激勵(lì)框架飛輪陀螺響應(yīng)實(shí)現(xiàn)從波浪能到電能的轉(zhuǎn)換.水下測試表明,在波浪高度為0.1 m 的情況下,該系統(tǒng)的最大瞬時(shí)發(fā)電功率為3.58 W.

自供能水下航行器/機(jī)器人可通過切換工作模式(俘能模式和運(yùn)動模式)提高系統(tǒng)效能.Li 等[72]設(shè)計(jì)了集成波浪能量采集系統(tǒng)的自主水下航行器(圖7(a)),通過垂直收放的浮子實(shí)現(xiàn)俘能模式與運(yùn)動模式的切換,浮子通過纜繩與自主水下機(jī)器人主體相連接,當(dāng)波浪激勵(lì)浮子上下運(yùn)動時(shí),浮子帶動纜繩驅(qū)動自主水下機(jī)器人內(nèi)置的發(fā)電機(jī)發(fā)電.實(shí)驗(yàn)表明,水下航行器的電池充滿電所需時(shí)間為2.65 d,充滿電的水下航行器可以航行20 km.Chen 等[73]設(shè)計(jì)了一種裝備在海洋機(jī)器人的可折疊翼波浪能量采集系統(tǒng)(圖7(b)),可在俘能模式與機(jī)器人模式之間切換,可折疊翼波浪能量采集系統(tǒng)的最大俘能功率到達(dá)2.6 W,能滿足很多低功耗應(yīng)用需求.

圖7 自供能航行器/機(jī)器人Fig.7 Self-powered vehicles

圖7 自供能航行器/機(jī)器人(續(xù))Fig.7 Self-powered vehicles (continued)

2 海洋無人機(jī)電系統(tǒng)研究進(jìn)展

海洋環(huán)境傳感器、航行器/機(jī)器人等無人機(jī)電系統(tǒng)可用于海洋軍事偵察與測繪、海洋環(huán)境資源生態(tài)探測和監(jiān)測、海洋作業(yè)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測等,有益于海洋生態(tài)保護(hù)、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋權(quán)益維護(hù)[74-75].如圖8 所示,海洋環(huán)境機(jī)電系統(tǒng)根據(jù)能否自主運(yùn)動可分為傳感器和航行器/機(jī)器人.航行器/機(jī)器人按照作業(yè)區(qū)域可以分為水面航行器和水下機(jī)器人.水下機(jī)器人按控制方式可分為有纜水下機(jī)器人和自主水下機(jī)器人.此外,仿生軟體機(jī)器人具有很好的環(huán)境友好性、生物交互性和低成本優(yōu)勢,也引起了廣泛關(guān)注[76].

圖8 海洋環(huán)境無人機(jī)電系統(tǒng)Fig.8 Unmanned electromechanical systems in marine environments

2.1 海洋環(huán)境傳感器

海洋是地球氣候調(diào)節(jié)、碳循環(huán)不可或缺的部分,海洋監(jiān)測對預(yù)測大氣變化、可持續(xù)利用海洋資源具有重要作用[77].海洋傳感器可以與船舶、浮標(biāo)、水下設(shè)備和海上平臺集成,收集信息以服務(wù)防災(zāi)[78]、海洋科考[79]、船舶設(shè)計(jì)及導(dǎo)航[80]、海洋監(jiān)測[81]等.

浮標(biāo)是指浮在海面上的標(biāo)志物,傳統(tǒng)上用于警示危險(xiǎn)、指引航道.現(xiàn)代浮標(biāo)與雷達(dá)、船舶、衛(wèi)星和陸基監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可組成全覆蓋的海洋信息觀測系統(tǒng)[82].國際生物地球化學(xué)Argo 項(xiàng)目組目前正在建立一個(gè)全球多學(xué)科海洋觀測網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)由自動Argo浮標(biāo)組成,配備了廣泛的生物地球化學(xué)傳感器,將提供改進(jìn)海洋條件和生態(tài)系統(tǒng)健康的模型和預(yù)測所需的海洋環(huán)境信息[83].

光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐極端溫度和壓力、重量輕、傳輸速率高、體積小和靈活等優(yōu)點(diǎn),在海洋環(huán)境和海洋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注.Shen 等[84]研制一種船載光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá),利用光子計(jì)數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度后向散射信號測量,具有觀測深層海水光學(xué)特性的潛力.Wang 等[85]采用全光纖海水溫度和深度傳感陣列來獲取海水溫度和深度剖面.通過對光纖光柵傳感器封裝結(jié)構(gòu)的研究,解決了傳統(tǒng)光纖光柵傳感器在測量海水溫度時(shí)存在的測量誤差問題.

水下軟傳感器是適用于水下小型機(jī)器人傳感任務(wù)的理想選擇.與剛性傳感器相比,它具備更高的靈活性和可靠性,并能自主完成自組裝和自驅(qū)動的功能.由于其低能耗的特性,軟傳感器在水下環(huán)境中表現(xiàn)出了更為出色的性能,具有廣闊的應(yīng)用前景[86].

電池電量有限阻礙了海洋環(huán)境傳感器大規(guī)模部署.隨著微/小型電子產(chǎn)品能耗降低,使得海洋能量采集技術(shù)可以滿足海洋傳感器等低功耗用電設(shè)備的需求,擺脫電池電量和線纜的限制.

2.2 無人水面航行器

無人水面航行器(unmanned surface vehicle,USV)是無需或者少量人力干預(yù)的水面航行器,能靈活布置在海洋不同區(qū)域,具有可靠、快速和機(jī)動性強(qiáng)的特點(diǎn),可以執(zhí)行監(jiān)測海洋參數(shù)、排查魚雷和海岸巡邏等各種任務(wù)[87-88],極大地降低了人類風(fēng)險(xiǎn)并提高了效率.Carlson 等[89]提出經(jīng)濟(jì)且便于攜帶的自主水面航行器(圖9(a)),在危險(xiǎn)環(huán)境中可以測量水深和海流.Wang 等[90]設(shè)計(jì)了一支自主無人水面航行器艦隊(duì)(圖9(b)),每一個(gè)無人水面航行器具有規(guī)則形狀利于相互連接,并設(shè)計(jì)一種十字型推進(jìn)器進(jìn)行推進(jìn),此設(shè)計(jì)可構(gòu)成海洋表面移動平臺.近年來,隨著應(yīng)用環(huán)境愈加復(fù)雜,人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅速發(fā)展,無人水面航行器的智能化水平不斷提高[91-92].比如,Wang 等[93]提出了統(tǒng)一框架有機(jī)結(jié)合了路徑規(guī)劃和導(dǎo)航系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)無人水面航行器在受限航道/水域中沿著最佳安全路徑自主駕駛.Meyer 等[94]探討了近端策略優(yōu)化的潛力,使無人水面航行器能夠?qū)崿F(xiàn)遵循已知期望路徑的同時(shí)避免與沿途其他船舶發(fā)生碰撞.

圖9 無人水面航行器.(a)小型自主水面航行器[89];(b)自主水面航行器艦隊(duì)單元[90];(c)振動驅(qū)動兩棲機(jī)器人[95];(d)仿?魚兩棲機(jī)器人[96]Fig.9 Unmanned surface vehicles.(a)Small autonomous surface vehicle[89];(b)Fleet unit of autonomous surface vehicle[90];(c)Vibration driven amphibious robot[95];(d)A remora-like amphibious robot[96]

在空中、海面和海下等多工況作業(yè)的跨介質(zhì)航行器/機(jī)器人可以進(jìn)一步提高航行器/機(jī)器人的機(jī)動性.Wang 等[95]開發(fā)了一種小型兩棲機(jī)器人(圖9(c)),通過振動驅(qū)動的運(yùn)動機(jī)制實(shí)現(xiàn)兩棲運(yùn)動,避免了傳統(tǒng)兩棲機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題.Li 等[96]設(shè)計(jì)了一種跨越空中水下的仿生?魚機(jī)器人(圖9(d)).仿生?魚機(jī)器人具有被動變形的螺旋槳,能夠?qū)崿F(xiàn)在0.35 s內(nèi)快速穿越水空邊界.

2.3 有纜水下機(jī)器人

有纜水下機(jī)器人,也可稱之為遙控水下機(jī)器人(remotely operated vehicle,ROV)是通過纜線與海上操作平臺連接的水下機(jī)器人.有纜連接使得水下機(jī)器人獲得源源不斷的能源,使其能裝備較大的、需要較高功率的操作設(shè)備,從而功能更強(qiáng)大,比如采集生物樣本、開采海底礦產(chǎn)和繪制海底三維模型等[97].但海上操作平臺也面臨能源補(bǔ)給困難、供能不足的問題,波浪能量采集器可以為海洋操作平臺供能,提高其續(xù)航能力,減少維護(hù)成本.Chaloux 等[98]開發(fā)一種魚類采樣有纜水下機(jī)器人(圖10(a)),通過推進(jìn)器的強(qiáng)大吸力捕獲魚類.切割有纜水下機(jī)器人被研制用于開采位于海底火山附近的塊狀硫化物(圖10(b)),切割有纜水下機(jī)器人由位于船舶上的作業(yè)員遠(yuǎn)程控制4 m 寬刀片切割目標(biāo)物[99].有纜水下機(jī)器人等能夠檢查和維護(hù)從深海延伸出來的天然氣或石油管道(圖10(c)),并追蹤石油礦場的石油泄漏、海底天然氣管道的氣體泄漏,保護(hù)水下生態(tài)系統(tǒng)[100].

圖10 有纜水下機(jī)器人.(a)用于魚樣采集有纜水下機(jī)器人[98];(b)切割型有纜水下機(jī)器人[99];(c)探測有纜水下機(jī)器人[100];(d)具有光學(xué)定位系統(tǒng)的有纜水下機(jī)器人[104]Fig.10 Remotely operated vehicles.(a)Remotely operated vehicle for fish sampling[98];(b)Cut-out remotely operated vehicle[99];(c)Remotely operated vehicle for detection[100];(d)Remotely operated vehicle with optical positioning system[104]

線纜與水下障礙物碰撞、線纜慣性等會影響水下機(jī)器人的可操作性[101].保持線纜拉力使之保持直線狀態(tài)可以避免纏繞[102].Rahimuddin 等[103]在有纜水下機(jī)器人頂部設(shè)置浮力結(jié)構(gòu),在底部加重,浮心在重心的正上方且浮心與重心的距離較遠(yuǎn)保證了水下機(jī)器人良好的穩(wěn)定性.Lund-Hansen 等[104]設(shè)計(jì)了具有光學(xué)定位系統(tǒng)的便攜式有纜水下機(jī)器人(圖10(d)),用于測量和采樣.Xu 等[105]提出了用于有纜水下機(jī)器人的定點(diǎn)吸附器,提高了有纜水下機(jī)器人操作效率.Gladkova 等[106]使用里程計(jì)平均數(shù)據(jù)推算路徑實(shí)現(xiàn)了有纜水下機(jī)器人的高精度定位.

2.4 自主水下機(jī)器人

自主水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle,AUV)是集先進(jìn)制造技術(shù)、智能材料、水下無線通訊和高計(jì)算能力計(jì)算機(jī)等技術(shù)為一體的自主導(dǎo)航和決策的水下機(jī)器人[107-108].自主水下機(jī)器人擺脫了線纜限制,能探索更深更遠(yuǎn),但需要自帶能源裝備或者增加自供能設(shè)備來支撐其航行.自主決策的功能使水下自主機(jī)器人能適應(yīng)復(fù)雜的水下環(huán)境,提升穩(wěn)定性和可靠性[109].

Fernandez 等[110]設(shè)計(jì)了一種自主水下機(jī)器人(圖11(a)),可以檢查和探測淹沒的礦井隧道網(wǎng)絡(luò).德國智能人工智能中心[111]研制了名為“DAGON”的自主水下機(jī)器人(圖11(b)),DAGON 是雙體船式,包括兩個(gè)高清攝像頭和5 個(gè)推進(jìn)器,主要用于創(chuàng)建視覺地圖和即時(shí)定位.Iscar 等[112]開發(fā)了開源、低成本的自主水下機(jī)器人用于深海的光學(xué)探測與繪制海洋地圖.

圖11 自主水下機(jī)器人.(a)礦井隧道探測自主水下機(jī)器人[110];(b)DAGON[111];(c)DaryaBird[115];(d)基于線性肌肉調(diào)節(jié)的自主水下機(jī)器人[117]Fig.11 Autonomous underwater vehicles.(a)Autonomous underwater vehicle for mine tunnel detection[110];(b)DAGON[111];(c)DaryaBird[115];(d)Autonomous underwater vehicle based on linear muscle regulation[117]

自主水下機(jī)器人的推進(jìn)器方面進(jìn)展迅速,具有更強(qiáng)的推進(jìn)力、機(jī)動性以及狹小空間作業(yè)能力.Gu 等[113]提出了一種球形自主水下機(jī)器人,其具有矢量水射流和螺旋槳推進(jìn)器的混合推進(jìn)裝置,混合推力器的最大推力比單推進(jìn)器增加了2.27 倍.Wang 等[114]提出了一種盤狀自主水下機(jī)器人,其由4 個(gè)螺旋槳和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成的推進(jìn)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高機(jī)動性.

水下機(jī)器人可以通過變換工作模式和狀態(tài)來提高工作效率和增強(qiáng)續(xù)航能力.Hidaka 等[115]設(shè)計(jì)了一款名為“DaryaBird”的水下機(jī)器人(圖11(c)),實(shí)現(xiàn)了模塊化易于實(shí)現(xiàn)多種探測功能,且能在線纜連接的情況下工作.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所開發(fā)了一類遠(yuǎn)程自主水下機(jī)器人“Explorer 1000 AUV”,其有兩個(gè)高精度可變浮力系統(tǒng),因此它可以執(zhí)行兩種工作模式: 自主水下機(jī)器人在一定固定位置進(jìn)行往復(fù)剖面觀測的定點(diǎn)觀測模式,以及自主水下機(jī)器人在多個(gè)觀測點(diǎn)巡航并在每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)觀測的巡航觀測模式[116].Wang 等[117]提出一種用于自主水下機(jī)器人的線性軟波紋腔肌肉致動器(圖11(d)),其可驅(qū)動浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和尾部的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,增大內(nèi)部可利用空間.

自主水下機(jī)器人主要用來執(zhí)行探測任務(wù),傳感器以及探測技術(shù)顯得尤為重要.為了節(jié)省設(shè)計(jì)中的優(yōu)化時(shí)間,從生物中獲取靈感來解決工程問題是較好的設(shè)計(jì)方法.

2.5 仿生軟體機(jī)器人

仿生軟體機(jī)器人具有很好的環(huán)境友好性、生物交互性和低成本優(yōu)勢,在海洋環(huán)境具有廣泛的應(yīng)用前景[118-119].

仿生機(jī)器魚可以通過身體和尾鰭實(shí)現(xiàn)游動(圖12(a))[120-121].Zhang 等[122]提出兩段尾鰭推進(jìn)方法,與現(xiàn)有單一尾鰭設(shè)計(jì)相比,兩段尾鰭推進(jìn)在穩(wěn)定性和可控范圍方面具有優(yōu)異性能.Li 等[123]提出了一種多尾全方位水下機(jī)器人,結(jié)合了魚類、青蛙、章魚、魚群等不同運(yùn)動模式.Christianson 等[124]提出了一種鰭狀介質(zhì)彈性體致動器的設(shè)計(jì),具有驅(qū)動應(yīng)變大、響應(yīng)速度快、噪音低和效率高等特點(diǎn).Shintake 等[125]設(shè)計(jì)了一種基于介電彈性體驅(qū)動器的仿生軟體機(jī)器魚,通過身體和尾鰭推進(jìn)游動.Li等[126]受深海獅子魚啟發(fā),開發(fā)了一種深海軟體機(jī)器人(圖12(b)),將電子設(shè)備封裝在硅膠基質(zhì)中,減小深海高壓的影響,使用重量輕的介電彈性體作為致動器,證明了軟材料在極致壓力下正常工作的巨大潛力.

圖12 仿生軟體機(jī)器人.(a)仿生機(jī)器魚[121];(b)深海軟體機(jī)器人[126];(c)仿生水下多足機(jī)器人[130];(d)軟體機(jī)械手[131]Fig.12 Biomimetic soft robot.(a)Bionic robotic fish[121];(b)Deep sea soft robot[126];(c)Bionic underwater multi-legged robot[130];(d)Soft manipulator[131]

此外,也有一些其他方式被用于軟體機(jī)器人驅(qū)動.Armanini 等[127]受鞭毛生物啟發(fā)設(shè)計(jì)了水下推進(jìn)器,通過簡單旋轉(zhuǎn)驅(qū)動產(chǎn)生推進(jìn)力.Zhang 等[128]采用柔性磁性復(fù)合材料制作驅(qū)動器,通過磁場驅(qū)動,實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的游動和抓取等功能.Ren 等[129]提出了一種仿水母軟體機(jī)器人,通過變化磁場驅(qū)動磁性復(fù)合彈性體在機(jī)體周圍產(chǎn)生受控流體,實(shí)現(xiàn)操作和運(yùn)輸?shù)裙δ?

為了提高仿生軟體機(jī)器人的作業(yè)能力,Picardi等[130]受到底棲爬行動物啟發(fā)提出了一種仿生水下多足機(jī)器人(圖12(c)),可以在0.5～12 m 深度范圍內(nèi)穿越不規(guī)則地形精確接近目標(biāo)并實(shí)施干預(yù).Liu等[131]介紹了一種協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)(圖12(d)),通過設(shè)置底棲腿機(jī)器人作為移動基座,顯著擴(kuò)展軟機(jī)械手的工作空間,在不破壞海底環(huán)境的情況下精確接近和采集目標(biāo)物.Stuart 等[132]設(shè)計(jì)了一種溫和抓取水下物體的柔順指尖吸力抓取器,溫和吸入流提供了一種改變接觸條件的方法.折紙機(jī)構(gòu)具有易設(shè)計(jì)、可靈活重構(gòu)的特點(diǎn).折紙機(jī)構(gòu)與不同的致動器集成能實(shí)現(xiàn)變構(gòu)型以及運(yùn)動傳感等功能,模塊化軟折紙能為多功能、智能軟機(jī)器人設(shè)計(jì)提供有效的解決方案[133].

3 關(guān)鍵挑戰(zhàn)與展望

波浪能量采集技術(shù)的發(fā)展對提高海洋環(huán)境傳感器、航行器/機(jī)器人等無人機(jī)電系統(tǒng)作業(yè)時(shí)長與范圍具有重要意義,也有很多報(bào)道驗(yàn)證了基于波浪能量采集的自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)的可行性.然而,目前仍然面臨著許多的不足,關(guān)鍵挑戰(zhàn)如下.

(1)現(xiàn)階段大部分小型波浪能量采集器的輸出功率還較低,僅能為微/小型傳感器等供電,還不能滿足遠(yuǎn)距離信息傳輸、圖像視頻采集、水下機(jī)器人、多功能集成系統(tǒng)等方面應(yīng)用的功耗需求.

(2)大部分波浪能量采集研究還只處于實(shí)驗(yàn)室階段,環(huán)境適應(yīng)性、系統(tǒng)可靠性等方面的考慮較少,強(qiáng)浪沖擊、海洋環(huán)境惡劣等嚴(yán)重影響波浪能量采集器可靠性的關(guān)鍵難題還未得到很好解決.

(3)波浪能量采集器與電池相比能量密度較低,無人機(jī)電系統(tǒng)需要較大空間配置波浪能量采集器.但是,較大尺寸的能量采集器會導(dǎo)致更大運(yùn)動阻力,影響航行器/機(jī)器人的運(yùn)動靈活性.

針對以上關(guān)鍵挑戰(zhàn),提出如下展望.

(1)整流調(diào)控可以將低頻不規(guī)則波浪激勵(lì)轉(zhuǎn)換為可控的力、運(yùn)動或其他能量形式,整流調(diào)控使得系統(tǒng)容納更加復(fù)雜的激勵(lì)輸入;整流調(diào)控使得直接作用于換能器的激勵(lì)更加匹配,不僅可以大幅提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率,也可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性.但整流調(diào)控也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性、體積和成本.簡單高效整流調(diào)控設(shè)計(jì)方法有待進(jìn)一步研究.

(2)波浪能、風(fēng)能和太陽能等多源能量采集是提高輸出功率密度和輸出電能時(shí)空互補(bǔ)的有效方法.多源能量采集協(xié)同增強(qiáng)、混合電力電路處理和電能存儲、多源能量互補(bǔ)轉(zhuǎn)換與利用等需要全面系統(tǒng)的研究.

(3)波浪能量采集系統(tǒng)如果與航行器/機(jī)器人集成需要具有行動靈活性,因此驅(qū)動方式只能選擇漂浮振蕩體式.目前國內(nèi)外關(guān)于漂浮振蕩體式波浪能量采集的研究主要側(cè)重于功能材料、發(fā)電模式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面,動力學(xué)與控制有待深入研究.自供能航行器最核心的問題是能量采集如何滿足系統(tǒng)能耗需求,既需要提高波浪能采集輸出功率,也需要降低系統(tǒng)能耗.變構(gòu)型使得俘能模式和運(yùn)動模式各自具有適合結(jié)構(gòu)和形狀可以提高系統(tǒng)效能,但如何不依賴或少依賴電學(xué)元器件實(shí)現(xiàn)簡單、可靠、低能耗構(gòu)型調(diào)控有待探索.

4 總結(jié)

本文系統(tǒng)總結(jié)了波浪能量采集研究進(jìn)展,介紹了海洋無人機(jī)電系統(tǒng),論述了自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵挑戰(zhàn)與發(fā)展方向.隨著人類探索海洋世界的興趣越來越強(qiáng),需要具有超長續(xù)航能力的航行器/機(jī)器人開展深海遠(yuǎn)海探索和作業(yè).長期有效供能是制約海洋無人機(jī)電系統(tǒng)作業(yè)時(shí)長與范圍的瓶頸難題.波浪能量采集技術(shù)的發(fā)展對提高海洋環(huán)境傳感器、航行器/機(jī)器人等無人機(jī)電系統(tǒng)續(xù)航能力具有重要意義,但目前波浪能量采集技術(shù)還不能滿足海洋航行器/機(jī)器人的供能需求以及適應(yīng)復(fù)雜惡劣海洋環(huán)境,波浪能量采集系統(tǒng)與航行器/機(jī)器人的集成設(shè)計(jì)方法也有待深入研究.本文針對自供能海洋無人機(jī)電系統(tǒng)開發(fā)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)提出了展望,為波浪能量采集研究及自供能航行器/機(jī)器人設(shè)計(jì)提供參考.