科技纵横▏水下机器人发展应用现状及未来趋势

组稿/溪流

　　水下机器人是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称潜水器。水下机器人主要运用在海上救援，水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。在军事斗争中，随着无人地面战车、无人飞机和无人舰艇等逐渐在战场上显示出越来越高的作战效能, 无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用。另外，无论战争期间还是和平时期，水下机器人还可以定期对航道、训练场、舰艇机动区实施定期或不定期检查，保障这些水域的作业安全。

一、水下机器人的种类及国内现状

　　⒈ 水下机器人的种类

　　水下机器人是一种具有智能功能的水下潜器，国内外专家学者根据其智能化程度和使用需求，将水下机器人分为四类：即拖曳式水下机器人TUV、遥控式水下机器人ROV、无人无缆水下机器人UUV和智能水下机器人AUV。前两种水下机器人均带缆，由母船上人工控制；后两种水下机器均无人无缆，自主航行，分别由预编程控制和智能式控制。

　　⒉ 水下机器人发展历史

　　有缆水下机器人最早产生于20世纪50年代，当时主要用于鱼雷和水下导弹回收任务而由军方研制。美国海军1956年研制出的“开尔夫”1号机器人在服役期间曾执行数百次使命，其中包括从海底回收100多枚鱼雷。

　　由于军事及海洋工程的需要及电子、计算机、材料等高新技术的发展，70年代和80年代，水下机器人的研制获得迅猛发展，出现了海底考察、实验、采样、打捞、救助、工程施工等多种用途的水下机器人，工作性能越来越好，工作水深也越来越大。当今世界各国如美国、英国、法国、意大利、俄罗斯、日本及瑞典等国，都已开发出各种类型的水下机器人，而且各自具有一定的技术优势。水下机器人已广泛应用于经济及军事等不同领域，它已成为水下观察和水下作业方面最为有效和最具潜力的水下开发工具。

　　与世界其他国家一样，我国的水下机器人研究也是从立足军事需求起步的，从“六五”开始对军用水下机器人开始探索性能研究，加上国内其他科研机构、大专院校的同期研制工作，到目前军用水下机器人已经服役并正在形成系列，特别是6000m深水下机器人的问世，表明我国在此领域已经取得了一定成绩。但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的差距较大，致使国产水下机器人的实际应用受到限制，目前国内在不同领域的应用客户许多是购买或租借国外现有产品，不仅价格高、配套服务难，而且有些产品并不适合中国海区的使用特点，机动性、抗流能力及作业能力都显不足。

　　⒊ 国内外发展现状

　　目前无人无缆水下机器人UUV已经成为水下机器人的发展潮流。UUV是一种能下潜的无人自主航行系统．由载体结构、控制系统、导航系统、能源系统和推进系统等系统和设备组成。国外比较有代表性的水下机器人有：

　　①美国的伍兹霍尔海洋研究所历时9年设计研制的深海无人潜器Nereus，长约4m，宽约2.5m，空气中重约2.812345678吨。其最大潜深为11000m，航速3节，续航时间为20小时。它具有一种混合式操控系统，集两种操作模式于一身，既可以自主地进行海洋探测任务，也可以通过遥控来完成工作。该潜水器于2009年5月31下潜至西太平洋的马里亚纳海沟，潜深达到了10902m。

图1 深海无人潜器Nereus

　　②美国夏威夷大学的“ODIN”：ODIN是一个圆形体，这在水下机器人中是不多见的。它有八个推力器，可以以六个自由度运动。采用Motorola 68030中央处理器。在陆上以图形工作站监视水下机器人的姿态和位置。它们之间通过RS232c串行传输数据．主要用途为海底地貌观测。

图2 ODIN水下机器人

　　③美国Nekton公司的“巡逻兵(Ranger)”，总长0.92m，直径0.09m，重量4.5kg，工作时间8.4hr。巡航航速：2节，最大航速4节，工作范围30km。装有温盐深、叶绿素、含氧量等传感器，主要用于海洋环境监测及多水下探测器的协调控制研究。

图3 微小型水下机器人巡逻兵(Ranger)

　　④丹麦制造的“Martin”号，目的是为UUV开发水声导航系统。这一UUV可用于环境研究和海底安装的监视。在这一项目中，开发了基于声纳信号的探测和识别，能够用于避开未知的水下物体。

图4 Martin水下机器人

　　⑤法国ECA公司研制的Alister水下机器人，最大工作深度300m，长约4.5m，空气中重约0.9吨，巡航速度为4节，最大航速为8节，续航力12小时至20小时之间，能够进行自主导航。通过搭载相应的传感器，该水下机器人可以自主完成目标区域监视和绘图等任务。

图5 Alister水下机器人

　　⑥美国斯坦福大学与蒙特利湾水源研究学院合作开发的水下机器人“OTI'ER”是为了让无人无缆水下机器人成为科学和工业界在开发海洋中常用的一种工具。

图6 OTTER水下机器人

　　⑦日本东京大学在智能水下机器人方面的研究工作主要是以东京大学生产技术研究所的浦瑗教授所领导的实验室开展的。他们开发了“Tam-Egg”、“Twin-Burgerl”、“Twin-Burger2”、“PTEROAl50”和“PTEROA250”等多个型号的观察型自主式水下机器人。在水下机器人虚拟世界的仿真方面也做了很多工作。

图7 Twin-Burger2水下机器人

　　⑧REMUS-100是由美国Hydroid公司开发的一款被公认为是当今知名度最高也是最成功的微小型水下机器人。REMUS-100标准装备有多普勒速度计、侧扫声呐、长基线、超短基线、传导率和温度传感器，压力传感器。可选装备包括声学modem、声学图像系统、水下摄像机、惯导、GPS、荧光计、照明灯、混浊度传感器等。其配套设备包括网关联系浮标，最多可允许4个REMUS进行多机器人合作。设计目的为水文调查，雷区搜索，海湾安全业务，环境监测．飞机残骸探查，搜索和海中救助，渔业业务，科学采样和标图。

图8 REMUS-100的结构和标准配置

　　⑨美国军方研发的蓝鳍金枪鱼-21型自主式水下航行器，被用于去年失联马航370的寻找而声名鹊起。蓝鳍金枪鱼-21型自主式水下航行器的的外形与潜艇相似，长4.93米、直径0.53米、重0.750吨，潜水深度4000米，最大航速4节。在标准负载和3节航速下，其续航能力为25小时。

图9 蓝鳍金枪鱼-21型自主式水下航行器

　　⑩从20世纪70年代末到80年代初，随着工业机器人技术的发展，以及海上救助打捞和海洋石油开采的需要，我国也开始了水下机器人的研制与应用工作。上海交通大学和中国科学院联合研制了我国第一艘无人遥控潜水器“HR-01”号。中科院沈阳自动化所等单位研制了“CR一01”和“CR-02”型潜深6000m、航程小于50公里的无人无缆水下机器人。哈尔滨工程大学水下机器人国防科技重点实验室研制的多种自主式智能水下机器人系列等，如“仿生”系列(图10)、“微龙”系列(图11)水下机器人。其中“仿生-I”总长2.4m，最大直径0.62m，潜深10m，负载能力60kg，仿金枪鱼推进，配有月牙形尾鳍和一对联动胸鳍。“微龙-I”总长0.95m，排水量76kg。躯体为扁圆截面，长方形外壳，非水密部分为玻璃钢材质，内置双圆柱铝合金水密耐压壳体。躯体的长宽比为2:1，采用可充电锂离子电池为能源，安装有左右布置的两个主推进器、可调攻角水平舵和垂直稳定翼，组成航行和操纵执行系统，配备的传感器有水下TV、探测声纳、超短基线水声定位系统、磁罗经、深度计等。

图10“仿生一I”水下机器人

图11“微龙一I”水下机器人

　　目前，我国的水下机器人技术日趋成熟，有些已达到或接近当代世界先进水平。

二、水下机器人关键技术

　　⒈ 总体技术

　　水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，各学科之间彼此互相牵制，单纯地追求单项技术指标，就会顾此失彼。解决这些矛盾除有很强的系统概念外，还需加强协调。在满足总体技术要求的前提下，各单项技术指标的确定要相互兼顾。

　　为适应较大范围的航行，从流体动力学角度来看，水下机器人的外形采用低阻的流线型体。结构尽可能采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料。

　　⒉ 仿真技术

　　水下机器人工作在复杂的海洋环境中，由智能控制完成任务。由于工作区域的不可接近性，使得对真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分：

　　①平台运动仿真

　　按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。在建立运动数学模型、确定边界条件后，用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应，根据技术指标评估平台的运动状态，如有差异, 则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,……, 直至满足要求为止。

　　②控制硬、软件的仿真

　　在水中对控制系统的调试和检测具有很大的风险，因此有必要在控制硬、软件装入平台前，在实验室内先对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。根据结果，进行修改和完善。因而需研究和开发一套用于控制系统仿真的仿真器。仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通讯接口、仿真工作站等组成。在仿真器上对控制系统的仿真，可以减少湖海试时的调试工作量，避免由海中不确定因素带来的麻烦。

　　⒊ 智能控制技术

　　智能控制技术是提高水下机器人的自主性，在复杂的海洋环境中完成各种任务，因此研究水下机器人控制系统的软件体系、硬件体系和控制技术十分重要。

　　智能控制技术的体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。体系结构的目标与水下机器人的研究任务应是一致的，也是提高智能水平（自主性和适应性）的关键技术之一。不断改进和完善体系结构，加强对未来的预报预测能力，使系统更具有前瞻性和自主学习能力。论文大全。

　　⒋ 水下目标探测与识别技术

　　目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。

　　①合成孔径声纳

　　用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等，为水下机器人提供一种性能很好的探测手段。

　　②前视声纳组成的自主探测系统

　　前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。可以通过实验，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库，在目标图像像素点较少的情况下，较好的解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。

　　③三维成像声纳

　　用于水下目标的识别的三维成像声纳，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。

　　⒌ 水下导航(定位)技术

　　用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等，由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统，该系统无论从价格上、尺度上和精度上都能满足水下机器人的使用要求，国内外都在加大力度研制。

　　⒍ 通讯技术

　　为了有效的监测、传输数据﹑协调和回收等，水下机器人需要通讯。目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。

　　(1)光纤通讯由光端机（水面）﹑水下光端机﹑光缆组成。其优点是数据率高（100Mbit/s），很好的抗干扰能力。缺点，限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人TUV、ROV。

　　(2)水声通讯由于声波在水中的哀减慢，对于需要中远距离通讯的水下机器人，水声通讯是唯一的、比较理想的一种方式。实现水声通讯最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难关。要达到实用程度，仍然有大量的工作要做。

　　⒎ 能源系统技术

　　水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，需要具有体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本的能源系统。

　　①热系统：热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源是现今一种比较实用的方法。

　　②电-化能源系统：质子交换膜燃料电池具有水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。该电池技术难点是合适的安静泵、气体管路布置、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储。21 世纪燃料电池将极大地改变人们的生活和企业环境。随着生产成本、稳定性等课题得到解决，燃料电池可望成为水下机器人的主导性能源系统。

三、水下机器人应用前景

　　水下机器人已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古、电站及水坝大坝检测等各项工作。目前市场对水下机器人的需求分观察探测型和作业型两种。观察型配备有水下电视和照相设备，针对水下特定目标进行定期观察和检查;作业型可针对不同的要求，还配备前视声呐、侧扫声呐、海底绘图、海底剖面等设备和各种机械手等，进行简单的水下作业。

　　⒈ 海洋资源的研究和开发

　　占地球表面积71%的海洋是是一个富饶而远未得到开发的资源宝库，也是兵戎相见的战场。21 世纪，人类面临人口膨胀和生存空间、陆地资源枯竭和社会生产增长、生态环境恶化和人类发展的三大矛盾挑战，要维持自身的生存、繁衍和发展，就必须充分利用海洋资源，这是无可回避的抉择。对人均资源匮乏的我国来说，海洋开发更具有特殊意义。因此，水下机器人将在海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究中发挥重要作用。

　　⒉ 未来战争中的作用

　　零伤亡是未来战争中的选择，因而使得无人武器系统在未来战争中的地位倍受重视，其潜在的作战效能越来越明显。作为无人武器系统重要组成部分的水下机器人能够以水面舰船或潜艇为基地，在数十或数百里的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯，将大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间。尤其是自主航行的水下机器人，它们能够更安全地进入敌方控制的危险区域，能够以自主方式在战区停留较长的时间，是一种效果明显的兵力倍增器。更重要的是，在未来的战争中，“以网络为中心”的作战思想将代替“以平台为中心”的作战思想，水下机器人将成为网络中心站的重要节点，在战争中发挥越来越重要的作用。论文大全。目前各国重点研究的应用包括：水雷对抗、反潜战、情报收集、监视与侦察、目标探测和环境数据收集等。

四、水下机器人的发展趋势

　　⒈ 向远程发展

　　阻碍智能水下机器人向远程发展的技术障碍有三个：能源、远程导航和实时通信。目前正在研究的各种可利用的能源系统包括一次电池、二次电池、燃料电池、热机及核能源。开发利用太阳能的自主水下机器人是引人注目的新进展，太阳能自主水下机器人需要浮到水面给机载能源系统再充电．并且这种可利用的能源又是无限的。

　　⒉ 向深海发展

　　6000米以上水深的海洋面积占海洋总面积的97％．因此许多国家把发展6000水深技术作为一个目标。美国、日本、俄罗斯等国都先后研制了6000米级的UUV。美国伍兹霍尔海洋研究所研制成一种深海探测潜器“ABE”，可在水深6000米的海底停留一年。日本于1993年研制成工作水深为11000米的深海无人潜器“海沟号”。

　　⒊ 向智能型发展

　　增加水下机器人行为的智能水平一直是各国科学家的努力目标。但是由于目前的人工智能技术不能满足水下机器人智能增长的需要，因此需要将人的智力引入到水下机器人中来，这就是监控型水下机器人的思想。不完全依赖于机器的智能，更多地依赖传感器和人的智能，是今后的一个重要发展方向，并且把这种机器人称势基于传感器的先进水下机器人。发展多机器人协同控制技术，也是增加自主水下机器人智能的重要方面。

五、结语

　　目前，水下机器人的研究已经取得了较大进步，正在逐步形成产业，应用范围已日趋广泛，在总体控制、智能化传感器、综合定位与导航机水下通讯等关键技术进一步成熟与发展后，水下机器人将更加智能、可靠与实用，在军事及海洋各个领域将有更加广阔的应用前景。

　　毫无疑问，在海洋开发和末来战争中，水下机器人起着举足轻重的作用。目前国内的水下机器人(主要是AUV、UUV)还处于研制试验阶段，很多关键技术还没有突破，离实际使用尚有一段距离。因此要抓住时机，开拓创新，争取在水下机器人这一领域拥有更多的自主技术。

■溪流根据网络综合资料编写