我國(guó)自主/遙控水下機(jī)器人研究現(xiàn)狀★

王福利， 任寶祥

（1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.廣東智能無(wú)人系統(tǒng)研究院， 廣東 廣州 511458）

0 引言

人類對(duì)海洋奧秘的探索從未停止。水下機(jī)器人作為探索海洋的重要載體，在科研、軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。水下機(jī)器人（Under Water Vehicle）是一種用于水下工作環(huán)境的作業(yè)機(jī)器人，將其用于水中代替潛水員完成某些操作和作業(yè)任務(wù)，又稱潛水器。水下機(jī)器人根據(jù)機(jī)器人本體中是否載人，分為載人潛水器（HOV）和無(wú)人潛水器（UUV），其中無(wú)人潛水器根據(jù)遙控方式的不同（是否需要通信電纜進(jìn)行控制），又可分為無(wú)人有纜機(jī)器人和無(wú)人無(wú)纜機(jī)器人，即遙控水下機(jī)器人（ROV）和自主水下機(jī)器人（AUV），兩者各有優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，都是海洋裝備的重要組成部分[1-2]。ROV 通過(guò)電纜傳遞信號(hào)和能源，操作者通過(guò)長(zhǎng)距離電纜在水面遙控平臺(tái)內(nèi)遙控機(jī)器人，其優(yōu)點(diǎn)是可在海底小范圍作用區(qū)域進(jìn)行精細(xì)觀測(cè)、海底取樣等作業(yè)，缺點(diǎn)是由于遙控（操作）電纜長(zhǎng)度有限，導(dǎo)致ROV 航行范圍是受限的；AUV 作業(yè)時(shí)無(wú)須攜帶電纜，能源安裝在水下機(jī)器人內(nèi)，機(jī)器人按照任務(wù)要求，預(yù)置控制程序完成規(guī)定任務(wù)，其優(yōu)點(diǎn)是可自主航行進(jìn)行大范圍探測(cè)，缺點(diǎn)是由于機(jī)器人本體攜帶能源有限，航行時(shí)間也是有限的。

自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）是近年來(lái)研發(fā)出的新型混合式水下機(jī)器人，其融合了ROV 和AUV 的優(yōu)點(diǎn)[3]，具有水下定點(diǎn)作業(yè)和大范圍探測(cè)的雙向功能，提升了水下機(jī)器人的作業(yè)能力，擴(kuò)大了作業(yè)范圍，使那些較為復(fù)雜的海底作業(yè)和觀測(cè)成為可能。與AUV 相比，ARV 可以攜帶機(jī)械手、采水器等部件，增加了潛水器的作業(yè)能力；而與ROV 相比，ARV 擺脫了光纜的束縛，把作業(yè)范圍提升到幾公里甚至幾十公里。由于當(dāng)前我國(guó)的水下機(jī)器人還無(wú)法完成較高的自主作業(yè)、識(shí)別、判斷等智能化作業(yè)，研究ARV 這種混合式水下機(jī)器人，可以增加人類對(duì)海底探索的方式，使人類探索海洋的活動(dòng)得到更好的延伸，具有更廣泛地應(yīng)用前景。

1 自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）的主要特點(diǎn)

自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）作為一種混合型潛水器，兼有AUV 和ROV 的雙重特性，它作為海洋探測(cè)和作業(yè)的理想載體，在體系結(jié)構(gòu)上具有開放式、模塊化、可重構(gòu)的特點(diǎn)，在控制方面具有多種控制方式（自主、半自主、遙控）。它可以通過(guò)搭載各種成熟探測(cè)器和傳感器進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)、區(qū)域搜索，也可以搭載機(jī)械手、采水器等進(jìn)行水下輕作業(yè)。ARV 既可以作為ROV 使用進(jìn)行小范圍精密作業(yè)，也可以作為AUV 使用進(jìn)行大范圍的探測(cè)，這些特點(diǎn)是單一的ROV 或AUV 不能相比的[4]。與ROV 相比，ARV 無(wú)須攜帶長(zhǎng)距離光纜，從而擴(kuò)大了潛水器的作業(yè)范圍，簡(jiǎn)化了潛水器水面支持系統(tǒng)，降低了潛水器對(duì)母船的要求。與AUV 相比，ARV 不僅可以向水面平臺(tái)反饋水下實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，水面平臺(tái)還可以人工干預(yù)潛水器，輔助校驗(yàn)潛水器狀態(tài)，協(xié)助完成水下作業(yè)，提高了潛水器的可靠性，提升了潛水器作業(yè)能力和作業(yè)效率。而從安全性方面考慮，ARV 既可以像AUV 一樣，具有自主故障檢測(cè)、容錯(cuò)控制等技術(shù)，也可以通過(guò)避碰聲吶自主避障；也可以像ROV 一樣，水面系統(tǒng)和水下系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)光纖通信，水面水下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，人為參與控制，更易于實(shí)現(xiàn)精確控制，安全性較高。此外，由于ARV的功能集成度較高，既可以進(jìn)行海底區(qū)域的勘察和監(jiān)測(cè)，還可以用于漁業(yè)勘察、水下打撈和搜救等，還可配合其他潛水器完成水下調(diào)查和考察任務(wù)。ARV 作為當(dāng)前水下機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是人類進(jìn)行海洋探索的重要方向。

2 我國(guó)自主/遙控水下機(jī)器人（ARV）的研究現(xiàn)狀

21 世紀(jì)初期，ARV 作為新型的混合型機(jī)器人的概念提出后，中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)船舶重工、各大院校，陸續(xù)開始了對(duì)ARV 研究，并取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。

2008 年，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所完成了“北極”ARV 的研制，作為率先提出ARV 概念的單位，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“北極”ARV，在研制成功后的6 年內(nèi)，前后三次參加北極科考任務(wù)[5-6]，完成了對(duì)指定海冰區(qū)域的觀測(cè)和海冰分布調(diào)查任務(wù)。通過(guò)對(duì)多項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量，得到了大量海冰數(shù)據(jù)。此外，還拍攝到大量海冰底部視頻和多種冰下浮游生物。這些數(shù)據(jù)、視頻為科學(xué)家研究北極提供了更加直接、可靠的依據(jù)，刷新了當(dāng)時(shí)我國(guó)水下機(jī)器人在高緯度冰下調(diào)查的紀(jì)錄?！氨睒O”ARV 在極地科考中的成功應(yīng)用，大大地提升了我國(guó)水下機(jī)器人技術(shù)水平和國(guó)際上的影響力。

2009 年，中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第702 研究所（以下簡(jiǎn)稱為“702 所”）完成了“海箏I 型”ARV 原理樣機(jī)的研制，分別為ROV 樣機(jī)研制和AUV 技術(shù)研究?jī)蓚€(gè)階段。通過(guò)水池和湖上試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行演練和演示。2010 年，為了進(jìn)一步推動(dòng)“海箏”系統(tǒng)ARV 的繼續(xù)前進(jìn)，702 所又啟動(dòng)了“海箏II 型”ARV 的研制，通過(guò)對(duì)“海箏I 型”ARV 的原理樣機(jī)研制的全面總結(jié)分析，“海箏II 型”ARV 進(jìn)行了總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、功能拓展及工程化改造等，使得ARV 具備了良好的水下工程應(yīng)用能力。在千島湖湖試中，不僅完成了ARV 基本功能測(cè)試，還完成了水下掛鉤、水下物品打撈等作業(yè)測(cè)試。此外，“海箏II 型”ARV 還參與了某大型水電站引水洞的探查任務(wù)和國(guó)外排海管道內(nèi)部檢查任務(wù)并圓滿完成任務(wù)，為ARV 應(yīng)用再添一成功案例[7]。

2013 年，上海海事大學(xué)完成了“海事一號(hào)”ARV的研制。“海事一號(hào)”ARV 質(zhì)量85 kg，最大下潛深度150 m。由于“海事一號(hào)”ARV 的結(jié)構(gòu)小、重量輕，具有經(jīng)濟(jì)性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于淺海漁業(yè)監(jiān)測(cè)、水下打撈和搜救等作業(yè)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2016 年，“海斗”號(hào)全海深自主遙控水下機(jī)器人（ARV）在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制成功，并在我國(guó)第一次綜合性萬(wàn)米深淵科考航次中嶄露頭角，成功完成了萬(wàn)米試驗(yàn)與應(yīng)用任務(wù)，成為此次萬(wàn)米深潛試驗(yàn)的探海利器，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)科學(xué)探索萬(wàn)米深淵的夢(mèng)想。此次應(yīng)用過(guò)程中，“海斗”號(hào)ARV 的最大下潛深度超過(guò)萬(wàn)米，成為我國(guó)首臺(tái)下潛深度超過(guò)萬(wàn)米的水下機(jī)器人，創(chuàng)造并刷新了我國(guó)水下機(jī)器人的最大下潛深度和最大作業(yè)深度紀(jì)錄。同時(shí)，為我國(guó)首次測(cè)量馬里亞納海溝指定區(qū)域萬(wàn)米溫、鹽、深剖面數(shù)據(jù)?！昂６贰碧?hào)ARV 在2016—2018 年中，連續(xù)三年參加我國(guó)萬(wàn)米深淵科考航次，三次科考任務(wù)中，“海斗”號(hào)共計(jì)11 次下潛萬(wàn)米，最大下潛深度分別達(dá)到10 767 m、10 888 m和10 905 m，不斷刷新我國(guó)水下機(jī)器人的最大下潛深度。在2017 年深淵科考中，“海斗”號(hào)ARV 突破超長(zhǎng)距離（38 km）、大深度（10 886 m）、微細(xì)光纖（0.4 mm）綜合管理和應(yīng)用技術(shù)，攻克了光纖應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)；在國(guó)內(nèi)首次拍攝到萬(wàn)米深淵海底的視頻影像，并利用潛水器光纖傳輸技術(shù)將該視頻影像實(shí)時(shí)傳輸?shù)侥复姹O(jiān)控平臺(tái)，該技術(shù)填補(bǔ)了我國(guó)超大深度海底實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的歷史空白。2018 年深淵科考中，“海斗”號(hào)ARV 在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)米海底巡航探測(cè)和高清視頻直播。

2020 年，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所牽頭聯(lián)合中國(guó)10 余家優(yōu)勢(shì)單位共同研制的“海斗一號(hào)”全海深自主潛水器（ARV）完成了萬(wàn)米海底試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)七次萬(wàn)米深度下潛，最大下潛深度達(dá)到10 907 m，刷新當(dāng)時(shí)我國(guó)水下機(jī)器人最大下潛和作業(yè)深度的紀(jì)錄。“海斗一號(hào)”ARV 在高精度深度探測(cè)、萬(wàn)米以下工作時(shí)長(zhǎng)、機(jī)械手作業(yè)、聲學(xué)通信、聲學(xué)探測(cè)與定位、高清視頻等方面，創(chuàng)造了我國(guó)潛水器領(lǐng)域多項(xiàng)第一；完成了對(duì)馬里亞納海溝最深區(qū)域的巡航探測(cè)與高精度深度測(cè)量；首次實(shí)現(xiàn)AUV 萬(wàn)米海底自主聲學(xué)巡航探測(cè)和高精度深度測(cè)線；在國(guó)際上首次利用水下機(jī)器人搭載的全海深電動(dòng)機(jī)械手，完成萬(wàn)米深淵海底樣品抓取、沉積物取樣、標(biāo)志物布放、水樣采集等系列化作業(yè)。成為國(guó)際上首臺(tái)具備自主遙控功能的探測(cè)作業(yè)一體化全海深水下機(jī)器人，也是當(dāng)前國(guó)際上唯一具備萬(wàn)米深淵海底探測(cè)和作業(yè)能力的水下機(jī)器人。2021 年，“海斗一號(hào)”ARV 赴菲律賓海盆和馬里亞納海溝執(zhí)行科考應(yīng)用航次?！昂６芬惶?hào)”ARV 采用AUV 操控模式實(shí)現(xiàn)我國(guó)首臺(tái)AUV 的萬(wàn)米下潛和探測(cè)應(yīng)用，創(chuàng)造AUV 下潛深度世界紀(jì)錄（10 871 m）、萬(wàn)米海底工作時(shí)間世界紀(jì)錄（10 h10 min）和萬(wàn)米海底航程世界紀(jì)錄（9 km），首次實(shí)現(xiàn)AUV 萬(wàn)米海底自主聲學(xué)巡航探測(cè)和高精度深度測(cè)線；采用ROV 模式，通過(guò)坐底高清視頻攝像，獲取了深淵底棲生物和海溝典型地質(zhì)環(huán)境變化影像資料，這些資料為我國(guó)科學(xué)家研究和分析深淵極端生命適應(yīng)性和演化機(jī)制提供了寶貴的研究素材和樣品。此外，在此次航次中，通過(guò)與同船的“奮斗者”載人潛水器（HOV）的交替作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了與載人潛水器相互協(xié)作，共同進(jìn)行海洋調(diào)查和考察任務(wù)，極大地提高了科學(xué)探測(cè)的效率。

2021 年，“思源號(hào)”全海深無(wú)人潛水器（ARV）研制在上海交通大學(xué)完成，“思源號(hào)”ARV 搭乘“深海一號(hào)”科考船在西太平洋公海（菲律賓海盆）海域順利完成深海試驗(yàn)。此次航次中，ARV 多次下潛深海，最大下潛深度達(dá)到8 072 m，總體技術(shù)性能穩(wěn)定。“思源號(hào)”ARV 海底最大工作時(shí)長(zhǎng)超過(guò)8 h，完成了海底探測(cè)和取樣等多種測(cè)試，驗(yàn)證了裝備的穩(wěn)定性和強(qiáng)大的海底作業(yè)能力。

2022 年，青島海洋地質(zhì)研究所委托中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“問海一號(hào)”6 000 mARV 成功入列，“問海一號(hào)”ARV 不僅像傳統(tǒng)ARV 一樣，既可搭載機(jī)械手，還可搭載高分辨率測(cè)深側(cè)掃、淺剖、重力儀等設(shè)備，并在關(guān)鍵目標(biāo)區(qū)進(jìn)行區(qū)域性近海底自主航行探測(cè)和坐底定點(diǎn)精細(xì)取樣作業(yè)。在海試與應(yīng)用中，“問海一號(hào)”ARV 在三種模式中，靈活切換，高效并順利地完成海試和科考任務(wù)。據(jù)相關(guān)人員介紹，這是我國(guó)首次基于國(guó)產(chǎn)無(wú)人潛水器平臺(tái)開展的近海底重磁、地形地貌及淺部地層結(jié)構(gòu)同步測(cè)量，為我國(guó)海洋資源勘探和多物理場(chǎng)匹配導(dǎo)航研究，提供了有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)語(yǔ)

自主遙控水下機(jī)器人（ARV）從概念的提出到研究已經(jīng)約有20 年，隨著研究的不斷深入，ARV 憑借它特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)，為科研和民用提供了有效的支撐，ARV 的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)覆蓋各種河流、水電站、深淺海域，還覆蓋極地、深淵、海溝等復(fù)雜海域，實(shí)現(xiàn)了從最開始的研究、探測(cè)到作業(yè)的應(yīng)用發(fā)展。隨著未來(lái)自主控制和人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，自主遙控水下機(jī)器人將具有更高智能化水平，具備自主作業(yè)的能力，并在更多的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮自己的作用，得到更加廣泛的應(yīng)用。