征服未知海底的利器——智能水下机器人

2017-06-29 15:23:05 作者：王元来源：《腐蚀防护之友》分享至：

像卫星探索宇宙空间一样，水下机器人是人类的眼睛和手臂在海底的延伸。下面小编将带您认识深水油气开发的利器——水下机器人。

中国在水下机器人研究方面起步虽晚，但通过不懈努力取得了巨大技术成果。2014 年我国自主研制的 6000 米 AUV（无缆水下机器人）“潜龙一号”在东北太平洋多金属结核合同区成功下潜作业、“蛟龙号”下水、“北极 ARV”助力科考，都彰显了我国在水下机器人领域的研发决心和科研技术成果。

未来 10 年将是中国水下机器人发展的关键期。与水下机器人最相关的三个行业是海洋油气业、海洋渔业以及海洋矿业。

一、水下机器人向深海进发

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，又称无人遥控潜水器。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。

水下机器人分类

广义上的水下机器人，也可称作潜水器（UnderwaterVehicles），是一种可在水下代替人，在充满未知的海洋环境中完成某种任务的装置。

就外形看，目前大部分水下机器人是框架式或类似于潜艇的回转细长体。随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态和运动方式的水下机器人，将会不断发展。

根据是否载人，可将潜水器分为载人潜水器和无人潜水器。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同，可以分为有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，简称ROV）、无缆水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，简称 AUV））两种。有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方式不同可分为拖曳式、（海底）移动式和浮游（自航）式三种。

无缆水下机器人一般是自治式机器人（又称智能机器人），它能够依靠本身的自主决策和控制能力，高效率地完成预定任务，在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

载人潜水器是由人工输入信号操控各种动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人员面临的危险性大。由于载人潜水器需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，使得潜水器体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限。

有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，且不需要人为干预。其主要由水面设备（包括操纵控制台、电缆绞车、吊放设备、供电系统等）和水下设备（包括中继器和潜水器本体）组成。潜水器本体在水下靠推进器运动，本体上装有观测设备（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。潜水器的水下运动和作业，是由操作员在水面母舰上控制和监视，电缆向本体提供动力和交换信息，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。人们通过电缆对 ROV 进行遥控操作，电缆如同“脐带”一样，对 ROV 至关重要。但细长的电缆悬在海中，也成为 ROV 最脆弱部分，大大地限制了机器人的活动范围和工作效率。

无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面技术，集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成在复杂的海洋环境中的预定任务的机器人。是从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。操作人员通过人机交互系统，以面向过程的抽象符号或语言下达命令，并接受经计算机加工处理的信息，对潜水器的运行和动作过程进行监视并排除故障。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。受益于近海油气开发，我国无人有缆遥控潜水器急速放量。

二、我国水下机器人不懈努力跨越鸿沟

我国对水下机器人的研究与开发起步较晚，从七十年代末才开始研究，相比欧美和日本，我国一直处于落后水平。

我国的水下机器人研究，是从立足军事需求起步的。七十年代末期，中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学开始从事ROV的研究与开发，合作研制了我国第一个 “海人一号” ROV，“海人一号”是我国独立自主研发的第一台大型水下机器人。

目前 , 我国军用水下机器人已经形成系列，特别是 6000m 深水机器人的问世，表明我国在此领域已经取得了一定成绩。

CR-01型无缆自治水下机器人

CR-01 型无缆自治水下机器人是我国于 1992 年 6 月与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，于 1995 年 8 月研制成功的。其体长 4.37m，宽 0.8m，它在空气中的重量为 1305.15kg，它的最大潜深 6000m，最大水下航速 2 节，续航能力 10h，定位精度为10m ～ 15m，它可在 6000m 水下进行摄像、拍照、测量海底地势与剖面、海底沉物目标搜索和观察、水文物理测量和海底多金属结核丰度测量，并能自动记录各种数据及其相应的坐标位置。

“潜龙一号”AUV

2014 年 8 月 31 日，我国自主研制的 6000mAUV“潜龙一号”

在东北太平洋多金属结核合同区成功下潜作业，顺利完成了综合性能测试。“潜龙一号”长 4.6m、直径 0.8m、重量为1500kg，最大工作水深 6000m，巡航速度 2 节，最大续航能力24h，配有浅地层剖面仪等探测设备，可完成海底微地形地貌精细探测、地质判断、海底水文参数测量和海底多金属结核丰度测定等任务。

“蛟龙”号载人潜水器

2014 年 7 月，我国“蛟龙”号载人潜水器下潜作业，并对搭载的微型无人潜水器“龙珠”号进行试验。“龙珠”号重量仅有 40kg，配有 3 部电动推进器，通过一根光纤与“蛟龙”号相连，由“蛟龙”号球舱内的潜航员遥控控制，且自带摄像机，可进行水下观察和录像，与“蛟龙”号互补形成更全面的观测能力。在水下工作期间，“龙珠”号与“蛟龙”号按照预先规划的协同作业流程“分工协作”、“默契配合”，完成了相互之间互动拍摄和“龙珠”号的释放与回收等预定的工作任务，形成了两种不同类型的潜水器在水下协同作业的新模式。

“北极ARV”水下机器人

“北极 ARV”水下机器人能够在高纬度下实现对冰下海冰物理特征、水文和光学特性等的自主精确同步观测，为我国北极科考提供了一种大范围的先进、连续、实时的冰下观测技术手段。新一代北极 ARV 通过水下机器人携带光通量测量仪，可连续测量出海冰吸收的太阳辐射能的空间变化，估算出同纬度更大范围海冰对太阳辐射能的吸收，以此计算出太阳辐射对该纬度北极海冰融化的贡献。

三、水下机器人将何去何从

向远程发展

太阳能自主水下机器人能解决远程续航问题。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。太阳能自主水下机器人需要浮到水面给机载能源系统充电，而这种可利用的能源又是无限的。

向深海发展

发展优化 6000m 水深技术，成为许多国家的目标。海洋资源大多存储于深海，6000m 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6000m水深技术作为目标，美国、日本、俄罗斯等国，都先后研制了 6000m 级的无人潜航器。美国伍兹霍尔海洋研究所研制的深海探测器“ABE”，可在水深 6000m 的海底停留一年；日本 1993 年研制了工作水深为 11000m 的深海无人潜水器“海沟号”；中国的“潜龙一号”也具备了 6000m 深度的作业能力。