自主/遙控水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀

李一平，李　碩，張艾群

（中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016）

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自主/遙控水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀

李一平，李碩，張艾群

（中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所 機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110016）

摘要:在過(guò)去的二十年中，水下機(jī)器人技術(shù)得到了快速發(fā)展，各種新型的水下機(jī)器人不斷涌現(xiàn)。本文介紹了一種新型混合式水下機(jī)器人——自主/遙控水下機(jī)器人（ARV），ARV結(jié)合了自主水下機(jī)器人（AUV）和遙控水下機(jī)器人（ROV）的特點(diǎn)，自帶能源并攜帶光纖微纜，具有多種工作模式，可實(shí)現(xiàn)大范圍的精確調(diào)查和局部區(qū)域的定點(diǎn)作業(yè)，文章重點(diǎn)介紹自主/遙控水下機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及成功應(yīng)用的案例。

關(guān)鍵詞:水下機(jī)器人（UUV）；遙控水下機(jī)器人（ROV）；自主水下機(jī)器人（AUV）；自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）

李碩（1970-），男，研究員，主要從事水下機(jī)器人控制系統(tǒng)、新型水下機(jī)器人系統(tǒng)研究。

引言

在過(guò)去的二十年中，水下機(jī)器人（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）技術(shù)得到了快速發(fā)展，逐漸在軍事、科學(xué)研究和商業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。水下機(jī)器人也稱(chēng)為無(wú)人潛水器，按特點(diǎn)可分為兩類(lèi)：遙控水下機(jī)器人（ROV，Remotely Operated Vehicle）和自主水下機(jī)器人（AUV，Autonomous Underwater Vehicle），通常前者依靠電纜提供的動(dòng)力、后者依靠自身攜帶的能源驅(qū)動(dòng)其在水下作三維空間運(yùn)動(dòng)。AUV和ROV各有其特點(diǎn)和不足，如AUV主要用于大范圍的水下探測(cè)，不具備作業(yè)能力；ROV可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)作業(yè)，其深度和作業(yè)范圍受臍帶電纜的約束。

自主/遙控水下機(jī)器人（ARV，Autonomous & Remotely Operated Vehicle）是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型混合式水下機(jī)器人。ARV結(jié)合了AUV和ROV的特點(diǎn)，使其既具備AUV的功能，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的探測(cè)，又具備ROV的功能，能完成水下定點(diǎn)作業(yè)。ARV技術(shù)可以看成是觀測(cè)型AUV向作業(yè)型AUV發(fā)展的一個(gè)必然階段，由于當(dāng)前人工智能等技術(shù)的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能使水下機(jī)器人具有較高的智能，研究這類(lèi)混合式水下機(jī)器人，可以使人類(lèi)利用機(jī)器人探索海洋的活動(dòng)得以延伸。

1　自主/遙控水下機(jī)器人的主要特點(diǎn)

ARV是一種集自主水下機(jī)器人（AUV）和有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）特點(diǎn)于一身的新型的混合式水下機(jī)器人，具有開(kāi)放式、模塊化、可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)和多種控制方式，自帶能源并攜帶光纖微纜，可以在深海環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)自主、遙控、半自主等不同作業(yè)模式下的區(qū)域搜索、定點(diǎn)觀測(cè)以及水下輕作業(yè)，是一種理想的海洋探測(cè)和作業(yè)平臺(tái)。

通?；旌鲜剿聶C(jī)器人是兩種機(jī)器人優(yōu)勢(shì)的組合。ARV結(jié)合了AUV和ROV的特點(diǎn)，既可以作為AUV使用，進(jìn)行較大范圍的水下調(diào)查，也可以作為ROV使用，進(jìn)行局部區(qū)域的精確調(diào)查和作業(yè)。因此，它兼顧了二者的優(yōu)點(diǎn)，可在海洋環(huán)境下實(shí)現(xiàn)較大范圍搜索、定點(diǎn)觀測(cè)以及水下輕作業(yè)。這些特性是單一AUV或ROV不能全部擁有的，二者的結(jié)合使得一些海洋觀測(cè)和作業(yè)應(yīng)用成為可能。

ARV與AUV相比，不僅實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，還可以完成水下輕作業(yè)，提升了系統(tǒng)的作業(yè)能力；相對(duì)于ROV，由于其可攜帶長(zhǎng)距離光纖微纜，不僅擴(kuò)大了水下作業(yè)范圍，也降低了對(duì)支持母船的要求，降低了水面支持系統(tǒng)的復(fù)雜程度，減少了水面支持系統(tǒng)的體積和重量。在現(xiàn)有機(jī)器人智能水平條件下，ARV是當(dāng)今國(guó)際研究水下機(jī)器人的一個(gè)熱點(diǎn)，特別是在深海領(lǐng)域，代表著人類(lèi)利用水下機(jī)器人探索海洋活動(dòng)的重要方向。

2　自主/遙控水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀

加拿大ISE公司的R.McFarlane對(duì)水下機(jī)器人（潛水器）的發(fā)展歷史概括總結(jié)為四個(gè)階段［1］，前三個(gè)階段稱(chēng)為三次革命：第一次革命出現(xiàn)在二十世紀(jì)60年代，以潛水員潛水和載人潛水器的應(yīng)用為主要標(biāo)志；第二次革命出現(xiàn)在70年代，以遙控水下機(jī)器人（ROV）迅速發(fā)展成為一個(gè)成熟的產(chǎn)業(yè)為標(biāo)志；第三次革命發(fā)生在90年代以后，以自主水下機(jī)器人（AUV）走向成熟為標(biāo)志。而現(xiàn)在則是混合型水下機(jī)器人的時(shí)代，這是因?yàn)槿魏我活?lèi)水下機(jī)器人都有其局限性，為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越高的復(fù)雜使命要求，使用多種類(lèi)型的水下機(jī)器人組合成新系統(tǒng)，是當(dāng)前發(fā)展的主要趨勢(shì)。

作為新一代混合作業(yè)模式的水下機(jī)器人，國(guó)際上對(duì)ARV還存在不同的定義，但與我們提出的ARV技術(shù)的內(nèi)涵是一致的。ARV憑借其獨(dú)特的作業(yè)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到一定的發(fā)展，其潛在的應(yīng)用前景更加廣泛。

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)、日本等海洋大國(guó)先后研制成功了用于不同作業(yè)目標(biāo)的混合式水下機(jī)器人，其研究成果得到國(guó)際上同領(lǐng)域?qū)＜业囊恢抡J(rèn)可。其中最具代表性的是美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研制的Nereus HROV（“海神”號(hào)，圖1），該水下機(jī)器人自帶能源，既可以采用AUV模式進(jìn)行自主海底調(diào)查，又可通過(guò)光纖微纜與水面支持母船建立實(shí)時(shí)通信連接，以遙控模式（ROV模式）完成取樣和輕作業(yè)。“海神”號(hào)配備有獨(dú)立的取樣與作業(yè)單元，可在現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)間進(jìn)行改裝，由AUV模式改裝成ROV模式。也就是說(shuō)，“海神”號(hào)下水前需確定其工作模式。在“海神”號(hào)多次下潛中，主要以ROV作業(yè)為主，故設(shè)計(jì)者們將其定義為混合式ROV-HROV。

a. AUV模式　b. ROV模式圖1　WHOI研制的Nereus

“海神”號(hào)是全球唯一一臺(tái)可以進(jìn)行全海深下潛的混合型水下機(jī)器人，主要用于地球、生命等科學(xué)探索，載體的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。伍茲霍爾海洋研究所從2001年起開(kāi)始混合型水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)研究工作，2008年研制成功“海神”號(hào)。2009年5月31日“海神”號(hào)成功下潛至馬里亞納海溝10902米水深處，完成了對(duì)馬里亞納海溝的探索和挑戰(zhàn)。［2］在過(guò)去的十幾年間，圍繞“海神”號(hào)水下機(jī)器人的研制，進(jìn)行了多次海上試驗(yàn)和應(yīng)用工作。2014年5月10日，“海神”號(hào)在探索新西蘭的克馬德克海溝時(shí)在水下9990米處失蹤。隨后，在海面上發(fā)現(xiàn)了水下機(jī)器人碎片的漂浮物，初步認(rèn)定是陶瓷球在深淵爆裂所致。盡管“海神”號(hào)在探索克馬德克海溝時(shí)丟失，但這并不影響其在國(guó)際上的影響力。

在“海神”號(hào)研究的基礎(chǔ)上，自2011年起，針對(duì)極地海冰調(diào)查，伍茲霍爾海洋研究所開(kāi)始研制新的混合型水下機(jī)器人——Nereid UI（圖2）。該水下機(jī)器人最大工作水深2000米，攜帶20km的光纖微纜，并搭載多種生物、化學(xué)傳感器，可進(jìn)行大范圍的冰下觀測(cè)和取樣等作業(yè)。

表1　Nereus主要技術(shù)指標(biāo)

圖2　WHOI研制的Nereid UI

此外，美國(guó)、英國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)也致力于混合式水下機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)工作，并有相應(yīng)的樣機(jī)研制成功。

美國(guó)Oceaneering公司聯(lián)合Boeing和Fugro公司從2001年起共同開(kāi)發(fā)了混合式水下機(jī)器人Taser（The Autonomous System for Extended Reach，圖3），該水下機(jī)器人可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和水下設(shè)備復(fù)雜程度選擇使用AUV或ROV操作模式，具有三種工作模式：傳統(tǒng)AUV模式，短纜混合作業(yè)模式和長(zhǎng)纜混合作業(yè)模式。

圖3　Taser混合式水下機(jī)器人

日本海洋科學(xué)與技術(shù)中心（JAMSTEC）開(kāi)發(fā)的MR-X1（圖4），最大工作深度為4200米，具有自治、遙控、無(wú)線（無(wú)線電/聲學(xué)）三種工作模式，主要用于海洋精確觀察和在海底安裝觀察設(shè)備。

圖4　日本JAMSTEC研制的MR-X1

法國(guó)Cybernetix公司研制的混合式水下機(jī)器人Swimmer（圖5），采用AUV攜帶ROV的方式航行到預(yù)定的地點(diǎn)，與水下生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接。由Swimmer攜帶的ROV執(zhí)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)檢查和維護(hù)作業(yè)。

圖5　法國(guó)Cybernetix公司研制的Swimmer

2010年，法國(guó)海洋研究所 IFREMER研制成功混合式水下機(jī)器人（HROV Ariane）“阿麗亞娜”號(hào)（圖6），該水下機(jī)器人主要用于沿海冷水珊瑚礁、海底峽谷、海山、懸崖等特殊地形的勘察和生物多樣性觀測(cè)?！鞍Ⅺ悂喣取碧?hào)重1800公斤，最大下潛深度2500米，搭載有高清攝像機(jī)、照相機(jī)、水聲通信機(jī)和兩個(gè)機(jī)械手?！鞍Ⅺ悂喣取碧?hào)具有纜控和自主兩種操作模式，可通過(guò)普通船舶（非動(dòng)力定位船）布放和回收，當(dāng)其以遙控（ROV）模式運(yùn)行時(shí)，通過(guò)光纖與母船連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，以自主（AUV）模式運(yùn)行時(shí)，通過(guò)水聲通信將采集到的數(shù)據(jù)傳至水面。2015年“阿麗亞娜”號(hào)進(jìn)行了深海試驗(yàn)，最大下潛深度2011米。

圖6　法國(guó)IFREMER研制的HROV Ariane

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)自主/遙控水下機(jī)器人研制多數(shù)都處于開(kāi)發(fā)研究階段，投入應(yīng)用的系統(tǒng)有限。

在ARV的研究方面，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所（SIA）、中國(guó)船舶科學(xué)研究中心等單位相繼開(kāi)展了相關(guān)研究。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心研制了小型“海箏”ARV樣機(jī)，并開(kāi)展了水池試驗(yàn)，其中“海箏II型”ARV樣機(jī)開(kāi)展了湖上試驗(yàn)。

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所于2003年在國(guó)內(nèi)率先提出了自主/遙控水下機(jī)器人（ARV，圖7）的概念，2005年至今，先后研制成功四型ARV并完成了湖試、海試及應(yīng)用工作。其中，“北極”ARV在2008年至2014年間，分別參加了中國(guó)第三次、第四次、第六次北極科考。［3］ ［4］ ［5］在北極科考期間，“北極”ARV自主完成對(duì)指定海冰區(qū)的連續(xù)觀測(cè)，通過(guò)其搭載的多種傳感器，獲取了大量海冰物理數(shù)據(jù)及海冰底部視頻，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可定量計(jì)算出太陽(yáng)輻射對(duì)該緯度海冰融化的影響，同時(shí)從動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)兩方面分析出海水對(duì)北極海冰的影響。

圖7　“北極”ARV在中國(guó)第三次（上）、第四次（下）北極科考中應(yīng)用（SIA）

圖8　“北極”ARV在中國(guó)第六次北極科考中應(yīng)用（SIA）

2014年，我們對(duì)原有的“北極”ARV系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使之成為小型ARV系統(tǒng)，并參加了中國(guó)第六次北極科考（圖8）。在此次調(diào)查中，“北極”ARV完成了浮冰的多項(xiàng)參數(shù)測(cè)量、“雪龍”號(hào)科考船船下海冰分布調(diào)查等多項(xiàng)任務(wù)，還拍攝到北極冰下的多種浮游生物，使科學(xué)家可以直接進(jìn)行觀測(cè)研究，這些都是傳統(tǒng)科考設(shè)備所無(wú)法獲取的。

“北極”ARV在北極科考中的多次成功應(yīng)用，刷新了我國(guó)水下機(jī)器人在高緯度下開(kāi)展冰下調(diào)查的記錄，也提升了我國(guó)水下機(jī)器人的技術(shù)水平和國(guó)際影響力。其成果受到了國(guó)內(nèi)外同行和新聞媒體的廣泛關(guān)注。

自2014年起，在中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)的支持下，沈陽(yáng)自動(dòng)化所圍繞深淵探測(cè)的需求，開(kāi)展了全海深A(yù)RV關(guān)鍵技術(shù)研究工作，建立了11000米級(jí)全海深A(yù)RV關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，2015年完成了全海深A(yù)RV驗(yàn)證平臺(tái)淺海試驗(yàn)及3000米級(jí)深海試驗(yàn)，試驗(yàn)中全海深A(yù)RV最大下潛深度為2784米，在海底工作1小時(shí)14分，獲得了下潛、海底航行及上浮全過(guò)程的有效視頻資料、海洋剖面及海底的溫鹽數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了有趣的海底生物，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)的既定目標(biāo)（圖9）。

圖9　全海深A(yù)RV深海試驗(yàn)及海底視頻截圖（SIA）

3　結(jié)論

自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）的出現(xiàn)是水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的必然結(jié)果。ARV憑借其獨(dú)特的作業(yè)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)得到了一定的發(fā)展，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括深海復(fù)雜海區(qū)的勘探與調(diào)查作業(yè)，海溝、深淵調(diào)查及作業(yè)，極地冰下調(diào)查等。在過(guò)去的十年中，ARV多次在海溝、深淵、極地開(kāi)展試驗(yàn)應(yīng)用，在人類(lèi)難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行調(diào)查及作業(yè)，幫助科學(xué)家探索海洋深處地球生命的起源、北極海冰變化及其影響等重大科學(xué)問(wèn)題。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，ARV將在更多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］ James R. McFarlane. Tethered and untethered vehicles: the future is in the past ［J］. Marine Technology Society Journal， 2009， 43（2）:9-12.

［2］ Louis L. Whitcomb， et al. Navigation and Control of the Nereus Hybrid Underwater Vehicle for Global Ocean Science to 11，000 m Depth: Preliminary Results［C］. IEEE International Conference on Robotics and Automation，2010.

［3］ Yiping Li，Shuo Li，Aiqun Zhang. Recent Research and Development of ARV in SIA［C］. Sixth International Symposium on Underwater Technology UT2009， Wuxi，China， April 2009.

［4］ 封錫盛， 李一平. 海洋機(jī)器人30年［J］. 科學(xué)通報(bào)， 2013 ，58（S2）: 2-7.

［5］ Baoju Wu， Shuo Li， et al. ARV Navigation and Control System at Arctic Research［C］. Proceedings of the OCEANS 2009， October 26-29， Biloxi， MS， USA， 2009.

Research Status of Autonomous & Remotely Operated Vehicle

Li Yiping， Li Shuo， Zhang Aiqun
（State Key Laboratory of Robotics， Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Science， Shenyang 110016， China）

Abstract:In the past 20 years， Underwater Vehicle technology has been developed rapidly. Various kind of novel underwater vehicle has been coming forth continuously. This paper introduces a novel type of hybrid underwater vehicle - Autonomous & Remotely Operated Vehicle. ARV features with different operation modes （autonomous， semi-autonomous， and remote control）. It’s equipped with power supplies and a fiber optic micro cable. AUV mode enables the vehicle to make underwater exploration in a large scale，while ROV mode is designed to investigate in limited aera with accuracy. The paper also introduces domestic and foreign research situation， and successful application cases of ARV.

Keywords:Unmanned Underwater Vehicle （UUV）； Remotely Operated Vehicle （ROV）； Autonomous Underwater Vehicle （AUV）； Autonomous & Remotely Operated Vehicle （ARV）

中圖分類(lèi)號(hào)：P72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-4969（2016）02-0217-06

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00217

收稿日期：2016-01-11； 修回日期： 2016-02-02

基金項(xiàng)目：全海深無(wú)人潛水器關(guān)鍵技術(shù)研究（XDB06050200）

作者簡(jiǎn)介：李一平（1963-），女，研究員，主要從事水下機(jī)器人控制系統(tǒng)、新型水下機(jī)器人系統(tǒng)研究。E-mail: lyp@sia.cn