面向海洋觀測(cè)的長續(xù)航力移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

陳質(zhì)二，俞建成，張艾群

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧　沈陽　110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049）

面向海洋觀測(cè)的長續(xù)航力移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

陳質(zhì)二1，2，俞建成1，張艾群1

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)在海洋觀測(cè)技術(shù)中越來越為人們所倚重，發(fā)達(dá)國家相繼投入了大量的研究和部署。研究一種具有全天候、長續(xù)航力的海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)是當(dāng)前一系列海洋裝備中的研究熱點(diǎn)和未來趨勢(shì)，尤其是最近5年，這項(xiàng)工作更是達(dá)到了新的高度。針對(duì)長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)的特征，文中將其分為長續(xù)航力自主潛航器系列和水下滑翔機(jī)系列兩大類，結(jié)合其共性問題分析了世界各國的研究現(xiàn)狀，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)作了展望，最后簡要討論了這些平臺(tái)未來發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)。

移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)；自主潛航器；水下滑翔機(jī)；海洋觀測(cè)

海洋與人類生產(chǎn)、生活息息相關(guān)［1］，全世界海洋面積占了地球總面積的71%，海洋蘊(yùn)含著豐富的動(dòng)、植物、礦產(chǎn)、石油、天然氣等資源，能夠提供人類日常生活所需要的一切。隨著工業(yè)化進(jìn)程的飛速發(fā)展和人口的持續(xù)增長，人類對(duì)資源的需求也呈現(xiàn)一種爆炸式增長。眾多的自然災(zāi)害如臺(tái)風(fēng)、海嘯、地震等都發(fā)源于海洋。除此之外，海洋也是人類軍事活動(dòng)的重要場(chǎng)所。未來，隨著人類物質(zhì)生活水平的不斷提高，人類還將探險(xiǎn)、旅游的腳步延伸到茫茫大海。因此，人類探索、認(rèn)識(shí)、利用海洋的腳步從未停止［2］。海洋觀測(cè)技術(shù)是探索海洋、認(rèn)識(shí)海洋、利用海洋的基礎(chǔ)。海洋觀測(cè)技術(shù)作為海洋科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，在維護(hù)海洋權(quán)益、開發(fā)海洋資源、預(yù)警海洋災(zāi)害、保護(hù)海洋環(huán)境、加強(qiáng)國防建設(shè)、謀求新的發(fā)展空間等方面起著十分重要的作用，同時(shí)也是展示一個(gè)國家綜合國力的重要標(biāo)志之一。發(fā)展海洋事業(yè)，應(yīng)優(yōu)先發(fā)展海洋觀測(cè)技術(shù)［3］。

由于過去海洋觀測(cè)技術(shù)有限，因此海洋長期成為未被人類開發(fā)的領(lǐng)域之一。人類探索、認(rèn)識(shí)、利用海洋的活動(dòng)歷史很漫長，隨著社會(huì)需求的加大、科學(xué)技術(shù)的牽引以及軍事活動(dòng)的助推，人類已將目光投向遠(yuǎn)海，在這種背景下，各種長續(xù)航力海洋技術(shù)相關(guān)裝備應(yīng)運(yùn)而生。近幾年隨著海洋觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)推陳出新，人類逐漸熟知海洋，而海洋資源也正成為世界各國重要戰(zhàn)略目標(biāo)。為爭(zhēng)奪海洋資源開發(fā)的制高點(diǎn)，美國、日本、印度等國家更是把海洋研究列為長遠(yuǎn)發(fā)展計(jì)劃［4］。海洋觀測(cè)技術(shù)是中科院資源與海洋基地建設(shè)的重要任務(wù)?！逗Ｑ笥^測(cè)預(yù)報(bào)管理?xiàng)l例》的公布標(biāo)志著我國的海洋觀測(cè)事業(yè)進(jìn)入了法制化軌道，是我國海洋觀測(cè)事業(yè)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑，充分體現(xiàn)了當(dāng)前我國對(duì)海洋事業(yè)的高度重視［5］。

當(dāng)今海洋觀測(cè)技術(shù)主要包括天基、?；退氯N［6］。天基海洋觀測(cè)是將航空和航天遙感技術(shù)應(yīng)用于海洋觀測(cè)的技術(shù)手段，這種觀測(cè)技術(shù)一般只針對(duì)海洋表面物理特征進(jìn)行觀測(cè)。?；Ｑ笥^測(cè)是一種基于海洋測(cè)量船、浮標(biāo)以及潛標(biāo)的觀測(cè)技術(shù)，由于這類觀測(cè)平臺(tái)沒有空間上的自由度，因而觀測(cè)效率不高。人們普遍認(rèn)為比較有前景的觀測(cè)技術(shù)是水下海洋觀測(cè)技術(shù)，該技術(shù)引入了移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，提高了海洋觀測(cè)范圍和效率。隨著科技進(jìn)步，移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)越來越趨向智能化、小型化及低成本化，海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)具有這類特征。尤其是近5 a，人們對(duì)這種平臺(tái)的續(xù)航力有了更高的要求。續(xù)航力就是生命力，因此長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)成為了當(dāng)前研究熱點(diǎn)。按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，該種平臺(tái)主要包括長續(xù)航力自主潛航器（Long-Range Autonomous Underwater Vehicle，LRAUV）、水下滑翔機(jī)（Glider），以及將螺旋槳驅(qū)動(dòng)和浮力驅(qū)動(dòng)結(jié)合起來的混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人（Hybrid Driven Underwater Vehicle）。波浪滑翔機(jī)（Wave Glider）是近幾年自主水下機(jī)器人家族又一新成員，是海洋新能源利用的成功代表，并已廣泛用于海洋觀測(cè)，目前也是世界各國的研究熱點(diǎn)。以下內(nèi)容將詳細(xì)介紹當(dāng)前這幾種海洋觀測(cè)平臺(tái)的發(fā)展情況并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)作了分析，以及未來發(fā)展作了展望。

1　發(fā)展歷史

1.1長續(xù)航力自主潛航器系列（LRAUVs）

長續(xù)航力自主潛航器系列的共性問題在于：能源供應(yīng)、低功耗電子設(shè)備與控制方法、推進(jìn)方法、低阻外形設(shè)計(jì)、作業(yè)模式等方面。這些技術(shù)均是影響機(jī)器人續(xù)航能力的重要環(huán)節(jié)，本節(jié)以下內(nèi)容就當(dāng)前世界各國和我國研制的長續(xù)航力自主水下機(jī)器人的現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹。

由于水下移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)搭載能源有限，因此利用海洋環(huán)境能作為機(jī)器人的能量供應(yīng)源成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，其中太陽能AUV（SAUV）就是一種利用光伏技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)換為機(jī)器人可利用能源的具有長續(xù)航能力的自主水下機(jī)器人。1997年美國海軍研究局（ONR）研制了世界上第一代太陽能自主潛航器原理樣機(jī)（SAUVⅠ）。并在隨后的兩年由美國自主系統(tǒng)研究所對(duì)SAUVⅠ做了大量實(shí)驗(yàn)工作。研究了海浪、溫度、生物吸附對(duì)太陽能電池板輸出特性和光電轉(zhuǎn)換效率的影響。并采用重心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)取代傳統(tǒng)水平舵來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人垂直面的姿態(tài)控制［7］。進(jìn)入21世紀(jì)，太陽能AUV開始逐步從研究走向應(yīng)用。2003年，由美國海軍研究局（ONR）、美國自主水下系統(tǒng)研究所（AUSI）、FSI公司、TSI公司和美國海軍水下作戰(zhàn)中心聯(lián)合開發(fā)了第二代太陽能自主潛航器（SAUVⅡ）用于海洋遠(yuǎn)程監(jiān)控和偵察任務(wù)，如圖1所示。SAUVⅡ用于長期監(jiān)控、監(jiān)視、定位、與岸基和水下儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向通信。機(jī)器人可預(yù)設(shè)下潛至500 m水深，可按指定路線航行，也可在合適的條件下上浮至水面利用太陽能充電。主要特征包括：續(xù)航時(shí)間長，可以數(shù)周或數(shù)月在海洋作業(yè)，夜間執(zhí)行特定任務(wù)，白天充電。航行速度可達(dá)3 kn。太陽能電源一次充電后能提供電能1 500 W·h。能維持定深、變曲線滑翔航行。為終端用戶載荷傳感器提供足夠的空間、能源、界面及軟件接口。傳感器測(cè)量的參數(shù)包括水深、高度、速度、姿態(tài)角以及各種動(dòng)力參數(shù)。機(jī)器人的主體耐壓艙直徑為0.192 m、長度為1.1 m，殼體材料為玻璃纖維，殼體內(nèi)可以進(jìn)水，內(nèi)有耐壓管用來搭載電子元器件以及一些可直接接觸海水的傳感器如高度計(jì)、深度計(jì)等。水平翼上方裝有兩個(gè)BP585太陽能面板，均為85 W高效單晶光伏模塊。翼的兩側(cè)裝有兩個(gè)高效矢量推進(jìn)器。由該推進(jìn)器與電機(jī)組合的驅(qū)動(dòng)裝置峰值效率可達(dá)64%。機(jī)器人采用無線電（或銥星）雙向通信技術(shù)、GPS和慣導(dǎo)相結(jié)合的導(dǎo)航定位技術(shù)等［8］。如今，SAUVⅡ可提供大范圍，遠(yuǎn)距離、長時(shí)問的海洋環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測(cè)，為當(dāng)今全天候、長航時(shí)、高時(shí)空密度海洋觀測(cè)需求提供了一種有力的工具。

圖1　SAUVⅡ主體結(jié)構(gòu)圖

除了海洋環(huán)境能之外，一些新型燃料電池也促進(jìn)了長續(xù)航力移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展。URASHIMA AUV在2004年由日本海洋—地球科學(xué)與技術(shù)中心（Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology，JAMSTEC）成功研制［9］，采用不依賴空氣的燃料電池作為能源，航行距離可達(dá)300 km。但是該AUV的最大缺點(diǎn)是體積大，長10 m重10 t的特點(diǎn)導(dǎo)致其難以建造、釋放和回收，而且燃料需要的氫氣極易發(fā)生爆炸。2005年，該AUV以創(chuàng)世界記錄317 km AUV航行距離完成海試。

圖2　URASHIMA AUV

除了利用海洋環(huán)境能作為機(jī)器人源源不斷的能量供應(yīng)源之外，采用低功耗電子設(shè)備和控制方法也是提高移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)續(xù)航力的一種有效手段。Autosub Long Range AUV（簡稱Autosub LR）是Autosub系列AUV中最新的一項(xiàng)研究成果，由英國南安普頓國家海洋中心（NOC）研制［10］，該AUV分別由兩個(gè)鍛造鋁球（前面一個(gè)搭載電池，后一個(gè)搭載控制器等電子設(shè)備）作為密封艙，推進(jìn)器單獨(dú)密封，并通過磁耦合器連接螺旋槳［11］，如圖3所示。載體重量650 kg，最大下潛深度6 000 m，續(xù)航時(shí)間為6個(gè)月，航行距離達(dá)6 000 km，巡航速度為0.4 m/s。系統(tǒng)中采用了先進(jìn)的低功耗處理器和傳感器設(shè)備，使航行器的負(fù)載功耗非常低。這種航行器在無支持母船情況下可以為海洋學(xué)家提供海洋和海底觀測(cè)數(shù)據(jù)，并且可以周期性浮出水面通過銥星通信將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給地面人員。該航行器具有斷電休眠并且周期性喚醒的能力，這種能力能為一些感興趣的科學(xué)任務(wù)提供機(jī)會(huì)，例如對(duì)局部海域的精細(xì)觀測(cè)。2011年1月在大西洋進(jìn)行了第一次海試，結(jié)果驗(yàn)證了該AUV具有較好的運(yùn)動(dòng)性能，定深精度為厘米級(jí)，艏向和俯仰角度控制精度均為0.5°。

圖3　Autosub LR

推進(jìn)器是移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)合流體力學(xué)知識(shí)和船用螺旋槳設(shè)計(jì)理論對(duì)機(jī)器人的型線優(yōu)化、槳-機(jī)-體匹配進(jìn)行專門研究，從而得到機(jī)器人的最優(yōu)外形設(shè)計(jì)和高效推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)，達(dá)到提高機(jī)器人的續(xù)航力目的。Tethys AUV便是這樣一種長續(xù)航力AUV（圖4），該機(jī)器人由MBARI研制，可以在0.5 m/s和1 m/s兩種速度模式下航行，續(xù)航時(shí)間一個(gè)月，最大航行距離可達(dá)3 000 km，潛器重量120 kg，最大下潛深度300 m。主要是用來進(jìn)行化學(xué)和生物測(cè)量，除了傳統(tǒng)的海洋特征觀測(cè)，由于具有超強(qiáng)的續(xù)航力，該潛器還可觀測(cè)浮游植物的生長繁殖過程，試驗(yàn)證明了Tethys無論是在原位測(cè)量還是在水下采樣，是一個(gè)非常先進(jìn)的水下生物觀測(cè)平臺(tái)，2009年進(jìn)行了第一次海試［12］。

圖4　Tethys海試中

2013年由弗吉尼亞自主系統(tǒng)中心（Virginia Center for Autonomous System，VaCAS）提出［13］，4 kn速度巡航時(shí)間35 h，但是布放時(shí)間可達(dá)1 a，最大潛深500 m。該AUV的最大特點(diǎn)是在其橢球形艏部加裝了一個(gè)真空吸附的錨定系統(tǒng)，當(dāng)AUV進(jìn)入指定作業(yè)海域之后，AUV就會(huì)與錨定系統(tǒng)分離，并通過纜繩相連固定于海底指定位置進(jìn)行觀測(cè)作業(yè)，回收時(shí)拋棄錨定系統(tǒng)，AUV通過螺旋槳驅(qū)動(dòng)返回回收地點(diǎn)，如圖5所示。

圖5　VaCAS研制的長續(xù)航力AUV

在加拿大國防部的支持下，ISE公司研制的長續(xù)航力自主水下機(jī)器人ISE Explorer AUV于2010年完成了長達(dá)10 d的冰下連續(xù)觀測(cè)任務(wù)，在不回收情況下，航行距離累計(jì)超過了1 000 km，AUV充電和數(shù)據(jù)傳輸都在冰下完成［14］。

圖6　ISE Explorer AUV海上試驗(yàn)

1.2水下滑翔機(jī)系列

從目前水下滑翔機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，按照水下滑翔機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式可將其分為三類：即浮力驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)、浮力與螺旋槳混合驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)和波浪驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)。

1.2.1浮力驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)傳統(tǒng)水下滑翔機(jī)是依靠浮力變化作為驅(qū)動(dòng)源，其作為一種新型的海洋環(huán)境水下觀測(cè)平臺(tái)，在國內(nèi)外都受到了極大的關(guān)注，開展了大量的研究工作，并已經(jīng)取得了一些研究成果。1989年美國人Stommel提出了采用一種能夠在水下作滑翔運(yùn)動(dòng)的浮標(biāo)進(jìn)行海洋環(huán)境調(diào)查的設(shè)想，這就是水下滑翔機(jī)的最初概念。1995年以來，在美國海軍研究局（ONR）資助下，美國先后研制出Slocum、Seaglider和Spray等多種以電池為能源的小型水下滑翔機(jī)［15］，如圖7所示。這些水下滑翔機(jī)的重量都在50 kg左右，長度為2 m左右。2002年開始，美國華盛頓大學(xué)還開展了潛深為6 000 m的深海水下滑翔機(jī)研究工作，預(yù)計(jì)航行范圍可達(dá)8 500 km，續(xù)航時(shí)間達(dá)到380 d，目前該水下滑翔機(jī)已經(jīng)完成了部分海上試驗(yàn)。2003年美國海軍開始支持大型翼型水下滑翔機(jī)的研究工作，圖8為美國研制成功的全翼型水下滑翔機(jī)。全翼型水下滑翔機(jī)的翼展為20 ft（約6.1 m），重量約為1 500 kg，最高時(shí)速可以達(dá)到3 kn，正常航行速度為1～3 kn，是當(dāng)前世界上最大、航速最快的水下滑翔機(jī)。

圖7　美國研制的水下滑翔機(jī)

圖8　美國研制的全翼型水下滑翔機(jī)

日本也是世界上較早開始水下滑翔機(jī)研究的國家，1993年就研制出了單滑翔周期的水下滑翔機(jī)ALBAC（圖9（a）），該水下滑翔機(jī)通過拋掉壓載的方式提供下潛和上浮的滑翔驅(qū)動(dòng)力，一次下水只能完成一個(gè)滑翔周期。2008年，日本研究了碟形水下滑翔機(jī)BOOMERANG（圖9（b））和水平翼可旋轉(zhuǎn)的水下滑翔機(jī)ALEX（圖9（c））。碟形水下滑翔機(jī)直徑為1.9 m，高度為0.55 m，空氣中重270 kg。

圖9　日本研制的水下滑翔機(jī)

2006年，美國華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開始研究開發(fā)了一種更大潛深的水下滑翔器Deepglider，其設(shè)計(jì)目標(biāo)為潛深6 000 m，如圖 10（a）所示。至2007年3月，Deepglider只做了樣機(jī)開發(fā)，其工作深度已經(jīng)可達(dá)2 700 m，實(shí)驗(yàn)室4 000 m工作深度測(cè)試已經(jīng)成功［16］。

新西蘭的Otago大學(xué)電子研究實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)和研究一種水下滑翔器UnderDOG。UnderDOG的設(shè)計(jì)工作深度為水下5 000 m，使用ARM-7處理器，用以測(cè)量海洋溫度、鹽度和含氧量，圖10（b）為UnderDOG的設(shè)計(jì)示意圖［17］。此外，法國、加拿大、韓國也都開展了與水下滑翔機(jī)相關(guān)的研究工作。

圖10　深水滑翔機(jī)

我國水下滑翔機(jī)相關(guān)研究工作起步較晚，2003年中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所開展了與水下滑翔機(jī)相關(guān)的基礎(chǔ)研究工作，2005年10月，成功研制出了中國第一臺(tái)水下滑翔機(jī)原理樣機(jī)Sea-Wing，解決了多模塊控制、模塊化結(jié)構(gòu)、光纖微纜應(yīng)用等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并順利進(jìn)行了湖上試驗(yàn)。從2007年開始在國家“863”計(jì)劃的支持下，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所與中國科學(xué)院海洋研究所共同開展了水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)的研制工作，2008年研制成功我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)，其身長2 m，直徑0.22 m，翼展1.2 m，重約65 kg，最大下潛深度1 200 m。如圖11所示。2009年組織完成了3次水下滑翔機(jī)海上試驗(yàn)，取得了大量有價(jià)值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，積累了豐富的水下滑翔機(jī)海上作業(yè)經(jīng)驗(yàn)。2011年以“科學(xué)一號(hào)”科考船為母船，成功進(jìn)行了水下滑翔機(jī)的海上試驗(yàn)，取得了十分寶貴的科學(xué)數(shù)據(jù)。在西太平洋超過4 000 m的水深中，水下滑翔機(jī)成功地完成了連續(xù)多次下潛，各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)正常，且在試驗(yàn)完成后被成功回收。2012年7月，在南海東沙群島附近海域又成功進(jìn)行了海試，進(jìn)一步驗(yàn)證了水下滑翔機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，積累了寶貴的水下滑翔機(jī)在復(fù)雜海流環(huán)境下的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，為滑翔機(jī)的推廣和應(yīng)用打下了一定的基礎(chǔ)。2014年完成了水下滑翔機(jī)長航程試驗(yàn)，續(xù)航時(shí)間達(dá)到1個(gè)月，航程達(dá)1 000 km，這是我國自主研制的水下滑翔機(jī)首次達(dá)到這一紀(jì)錄。2015年開始交付用戶，成為海洋科學(xué)家進(jìn)行海洋觀測(cè)的一種重要手段。

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，Sea-Wing水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、驅(qū)動(dòng)原理和載體設(shè)計(jì)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到解決。我國自主研制的水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)技術(shù)指標(biāo)接近國際同類產(chǎn)品水平，基本滿足實(shí)際應(yīng)用要求，目前我國已經(jīng)具備研制實(shí)用水下滑翔機(jī)裝備的能力。

此外，天津大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、中船重工集團(tuán)702研究所、中船重工集團(tuán)710研究所、華中科技大學(xué)等單位也開展了一些與水下滑翔機(jī)相關(guān)的研究工作。

圖11　中科院沈陽自動(dòng)化所研制的水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)Sea-Wing

1.2.2浮力與螺旋槳混合驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)（Hybrid Driven Underwater Glider）是一種同時(shí)具有AUV和水下滑翔機(jī)特點(diǎn)的新型航行器，既可以水平航行，又可以沿鋸齒形軌跡滑翔航行，既具有AUV的高機(jī)動(dòng)性，又具有水下滑翔機(jī)優(yōu)越的續(xù)航力。多重航行模式?jīng)Q定了其具有較強(qiáng)的海洋環(huán)境適應(yīng)能力。圖12為目前國外研制的部分混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人。

2005年美國華盛頓大學(xué)APL實(shí)驗(yàn)室提出了螺旋槳與浮力混合驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)器人設(shè)想，該航行器由浮力驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)與獨(dú)立螺旋槳推進(jìn)裝置兩部分組成的，其中螺旋槳推進(jìn)裝置可以與水下滑翔機(jī)分離開，這樣就完全轉(zhuǎn)變成浮力驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)。

2007年美國佛羅里達(dá)理工學(xué)院提出了一種混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人構(gòu)想。該航行器在水平和垂直方向上分別安裝了兩個(gè)螺旋槳推進(jìn)器，目前設(shè)計(jì)采用拋壓載和浮力材方式為滑翔運(yùn)動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)浮力，可實(shí)現(xiàn)10個(gè)滑翔周期。預(yù)期設(shè)計(jì)主要技術(shù)參數(shù)為：質(zhì)量為293 kg，尺寸為1.93 m長、1.59 m寬、0.58 m高，水平推進(jìn)速度為2 kn。

Webb研究所的學(xué)者在Slocum滑翔機(jī)艉部安置了一個(gè)較大的高效率螺旋槳推進(jìn)器，這樣就構(gòu)成了混合驅(qū)動(dòng)的水下機(jī)器人Slocum AUV，該航行器的螺旋槳驅(qū)動(dòng)工作時(shí)間占總時(shí)間的10%。

美國伍茲霍爾研究所研制出了一種用于近海岸的基于噴水推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)、低造價(jià)、小重量的水下自航行器Fòl(fā)aga［18］，該航行器可以在變浮力裝置作用下進(jìn)行下潛上浮，利用噴水推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和轉(zhuǎn)向。

2010年加拿大紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的Claus等學(xué)者研制出了一種基于可折疊螺旋槳驅(qū)動(dòng)的混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人［19-20］，該航行器采用可折疊螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置和浮力驅(qū)動(dòng)裝置混合驅(qū)動(dòng)，其中附加的螺旋槳驅(qū)動(dòng)模塊能提高潛器的水平航行性能以及增大航行速度，在航速0.3 m/s時(shí)螺旋槳推進(jìn)裝置能耗為0.6 W，航速0.67 m/s時(shí)能耗為4.25 W。

2012年法國ALCEN研制出了Sea Explorer，該航行器具有螺旋槳驅(qū)動(dòng)和浮力驅(qū)動(dòng)混合驅(qū)動(dòng)、混合導(dǎo)航、無升降翼、續(xù)航力達(dá)數(shù)月、攜帶可充電電池等特點(diǎn)，主要用于環(huán)境調(diào)查、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、搜救等方面。該航行器是首次采用聲學(xué)浮筒進(jìn)行追蹤和監(jiān)控的水下滑翔機(jī)，不需要頻繁地浮出水面與地面通信，通過聲學(xué)設(shè)備即可完成通信任務(wù)。此外，通過改變載體艏部機(jī)構(gòu)，即可快速方便地更換負(fù)載。配備的浮力和螺旋槳混合驅(qū)動(dòng)裝置可根據(jù)作業(yè)需求實(shí)時(shí)調(diào)整和選擇工作模式，尤其是在淺水中能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

圖12　國外研究人員研制的部分混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人

此外，2011年美國VCT公司在美國海軍研究局（ONR）的資助下開發(fā)了一種低成本、可拋棄的滑翔機(jī)“xGlider”［21］，這種航行器采用模塊化設(shè)計(jì)，可通過簡單改進(jìn)升級(jí)為AUV，在AUV模式下航速能達(dá)到2 kn以上。它的最大特點(diǎn)是價(jià)格低廉，不超過5萬美元，相對(duì)于傳統(tǒng)滑翔機(jī)在結(jié)構(gòu)上去掉了水平翼，采用尾鰭裝置取代傳統(tǒng)滑翔機(jī)的橫滾、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因此成本大大降低。由于沒有水平翼，該航行器可從飛機(jī)或者潛艇進(jìn)行釋放。根據(jù)客戶的需求其續(xù)航力能做到2個(gè)月至10個(gè)月不等，最大潛深為1 000 m。應(yīng)用主要面向軍方，用于水雷戰(zhàn)（MIW）和反潛戰(zhàn)（ASW）。由于這種航行器續(xù)航時(shí)間足夠長、成本很低，因此執(zhí)行完任務(wù)后可以不回收而選擇被拋棄。如圖13所示。

圖13　美國VCT公司研發(fā)的“xGlider”

2010年以來，國內(nèi)的中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和天津大學(xué)也分別開展了混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人研究工作［22-23］。沈陽自動(dòng)化研究所提出了一種基于可折疊螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置（圖14）的混合驅(qū)動(dòng)水下機(jī)器人，該機(jī)器人具有3種航行模式：水平推進(jìn)模式、滑翔航行模式以及混合驅(qū)動(dòng)模式。可折疊螺旋槳在滑翔模式下處于槳葉折疊狀態(tài)以減小水動(dòng)力阻力，在水平推進(jìn)模式和混合驅(qū)動(dòng)模式下，槳葉在離心力、水動(dòng)力、復(fù)位裝置回復(fù)力三者共同作用下展開提供機(jī)器人前行所需的推力。2015年12月，成功進(jìn)行了水池試驗(yàn)，如圖15所示。

圖14　可折疊螺旋槳驅(qū)動(dòng)裝置水池試驗(yàn)

圖15　混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)水池試驗(yàn)

1.2.3波浪驅(qū)動(dòng)型水下滑翔機(jī)美國的Roger Hine于2005年開始進(jìn)行波浪滑翔機(jī)（Wave Glider）原理樣機(jī)的研究工作［24-25］，由于該航行器利用波浪能轉(zhuǎn)化為前進(jìn)的動(dòng)能，因此續(xù)航力極強(qiáng)。目前Wave-Glider是Liquid Robotics Inc公司的主要產(chǎn)品，已經(jīng)面向客戶的不同應(yīng)用，通過搭載不同傳感器而出售，如圖16所示。并且該公司為了驗(yàn)證波浪滑翔機(jī)的性能，進(jìn)行了大量的海試實(shí)驗(yàn)，如環(huán)繞美國西海岸的海試實(shí)驗(yàn)，從美國西部的舊金山到夏威夷的海試實(shí)驗(yàn)以及橫穿太平洋的實(shí)驗(yàn)等，都取得了非常滿意的結(jié)果，獲得了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖16　Liquid公司研制的波浪滑翔機(jī)

國內(nèi)中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所也正在從事波浪滑翔機(jī)的研究工作［26］，并研制出了多套波浪滑翔機(jī)原理樣機(jī)，多次成功進(jìn)行了湖試和海試工作（圖17），目前關(guān)于波浪滑翔機(jī)的可控性、可操縱性以及運(yùn)動(dòng)建模、軌跡規(guī)劃等工作正在進(jìn)行中。

圖17　中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的波浪滑翔機(jī)

2　長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)未來展望

經(jīng)過多年的發(fā)展，世界各國在海洋觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)成功開發(fā)了長續(xù)航力AUV、水下滑翔機(jī)、混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)、波浪滑翔機(jī)以及其它水下移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)。就單體開發(fā)技術(shù)而言，參與研究的科研單位越來越多，相關(guān)理論與技術(shù)也越來越成熟和先進(jìn)。未來面向海洋觀測(cè)的長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)發(fā)展趨勢(shì)為：

（1）網(wǎng)絡(luò)化。隨著海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)應(yīng)用的增多，將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)同種或不同種單體之間組網(wǎng)的協(xié)同作業(yè)，共同完成復(fù)雜的任務(wù)。如地面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)一樣，自主水下機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化可以顯著提高包括海洋采樣、成像、監(jiān)視和通信在內(nèi)眾多面向海洋觀測(cè)應(yīng)用方面的能力，這將對(duì)“數(shù)字海洋”、“智慧海洋工程”建設(shè)起到重要作用。

（2）智能化。在控制和信息處理系統(tǒng)中，采用圖像識(shí)別、人工智能技術(shù)、大容量的知識(shí)庫系統(tǒng)，以及提高信息處理能力和精密導(dǎo)航定位的隨感能力等。待這些技術(shù)得到解決后，自主水下機(jī)器人將成為名符其實(shí)的海洋智能機(jī)器人。

（3）多棲化。兩棲（水面、水下）、三棲（水面、水下、空中）自主水下機(jī)器人將出現(xiàn)，融合天基、?；退碌扔^測(cè)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的新一代自主水下機(jī)器人將得到快速發(fā)展。

（4）長航程化。隨著要求調(diào)查范圍和作業(yè)時(shí)間的擴(kuò)大，要求AUV能夠進(jìn)行長航程作業(yè)，如MBARI研制的Tethys AUV能實(shí)現(xiàn)4 000 km長距離連續(xù)數(shù)月巡航，可以勝任不同的海洋觀測(cè)任務(wù)。

（5）低成本化。由于面向海洋觀測(cè)的移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)技術(shù)的成熟和不斷的推廣，以及在石油和天然氣等海洋工程方面的需求，自主水下機(jī)器人將會(huì)進(jìn)入商業(yè)應(yīng)用的階段，為贏得市場(chǎng)，要求自主水下機(jī)器人必須走低成本道路。

（6）標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。自主水下機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化有助于加快機(jī)器人的開發(fā)周期，促進(jìn)機(jī)器人的產(chǎn)品化，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化將確保機(jī)器人與其它系統(tǒng)的互通性。標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)促進(jìn)機(jī)器人的模塊化，可以共享核心功能組件，減少軟硬件在不同機(jī)器人之間移植的成本和時(shí)間。

（7）低功耗化。機(jī)器人在水下工作時(shí)，搭載的各種探測(cè)設(shè)備和作業(yè)設(shè)備所需要的能源大部分都由自身所攜帶的電源供應(yīng)，所以能耗決定了機(jī)器人的航行范圍和工作時(shí)間，而機(jī)器人體積有限，限制了所能攜帶的電池。除此之外，機(jī)器人的工作環(huán)境復(fù)雜，更換電池極為不便，因此降低功耗對(duì)機(jī)器人具有十分重要的意義。

3　長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)未來發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)

由于長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)自身攜帶的能源有限，當(dāng)機(jī)器人能量消耗完后，需要上浮到海面更換電源，然后再次下潛繼續(xù)任務(wù)。由于海洋環(huán)境十分復(fù)雜，更換電源十分不便，因此發(fā)展長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)具有十分重要的意義。目前，長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)主要面臨以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：電池性能改進(jìn)、能源管理與分配方式改善、推進(jìn)器效率提高、低阻外形設(shè)計(jì)、導(dǎo)航系統(tǒng)性能提升、系統(tǒng)集成方法改進(jìn)。

4　結(jié)論

長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)對(duì)海洋觀測(cè)技術(shù)具有重要的意義。隨著人類探索海洋、認(rèn)識(shí)海洋、利用海洋的活動(dòng)進(jìn)程不斷推進(jìn)，這種平臺(tái)技術(shù)在該活動(dòng)中將扮演著重要的角色。本文對(duì)長續(xù)航力海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)的現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)研，分析了該種平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)及面臨的問題。相信隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷攻破，具有長續(xù)航力的海洋移動(dòng)自主觀測(cè)平臺(tái)將在海洋開發(fā)中起到更加重要的作用。

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Overview on Observation-Oriented Unmanned Marine Vehicles with High Cruising Ability:Development Status and Prospect

CHEN Zhi-er1，2，YU Jian-cheng1，ZHANG Ai-qun1
1.Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，Liaoning Province，China；
2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Unmanned marine vehicles（UMV）play an increasingly important role in marine observation technology.Many developed countries have invested considerable efforts and funds for the research and application of UMV.It is affirmed in this paper that a kind of UMV with all-weather and high cruising abilities is a hotspot and future highlight of marine equipment development，especially in the recent 5 years.According to the platform features，the UMV with high cruising ability can be divided roughly into two main classes:the longrange autonomous underwater vehicle（AUV）series and underwater glider series.This paper reviews the development history and status of UMV for marine observation at home and overseas combined with common problems，presents a prospect for their development trends，and briefly discusses the key technologies in UMV future development.

unmanned marine vehicle（UMV）；autonomous underwater vehicle（AUV）；underwater glider；marine observation

P715

A

1003-2029（2016）01-0122-09

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.01.020

2015-10-22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179183）

陳質(zhì)二（1984-），男，博士研究生，助理研究員，主要從事水下機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題研究。E-mail：chenze@sia.cn