简述水下机器人及其发展方向-专业论文-自动化应用案例

简述水下机器人及其发展方向

发布日期：2021-02-04 来源：《智能机器人》19-04期作者：郑勇郑卫刚浏览次数：13698

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【摘　要】：讲述水下机器人的多种分类方法，讲解UUV、ROV、AUV及AUG水下机器人含义及区别。介绍水下机器人的三个发展阶段，详细介绍了无人有缆潜水器ROV应用领域并对水下机器人的将来发展方向及趋势做了分析及介绍。让大家对水下机器人有个初步的认识和了解。

关键字：水下机器人；UUV；ROV；AUV；AUG；发展阶段；发展方向

Abstract: This paper describes the various classification methods of underwater robots, and explains the meanings and differences of UUV, ROV, AUV and AUG underwater robots. The three development stages of underwater robots are introduced. The ROV application field of unmanned cable submersibles is introduced in detail, and the future development direction and trend of underwater robots are analyzed and introduced. Let everyone have a preliminary understanding and understanding of underwater robots.

Key words: underwater robot; UUV; ROV; AUV; AUG; development stage; development direction

1 引言

水下机器人也称作潜水器(Underwater Vehicles)，诞生于20世纪50年代初。最早出现的潜水器是载人潜器，这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生。21世纪是人类向海洋进军的世纪。深海探险和太空探险之间既存在着许多的相同点，深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是国际上激烈竞争的焦点之一。水下机器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间中的作用。

2 水下机器人分类

水下机器人分类五花八门，让人觉得一头雾水。为此，笔者介绍常见的分类方法。水下机器人的分类方法有多种：

（1）最流行常见的按有无缆线即水下机器人按照与水面支持系统间联系方式的不同，分为二类：一是有缆遥控水下机器人(ROV)，二是水下自动机器人(AUV)：

（2）按是否载人分为三类：载人潜水器（潜航器）、无人潜水器（潜航器）、载人无人两用混合潜水器；

（3）按智能程度分：普通水下机器人(也简称ROV)和智能水下机器人(也简称AUV)；

（4）按应用领域可分：为军用与民用；

（5）按广义侠义分：侠义的水下机器人无人（不载人）；更侠义水下机器人是有缆无人潜航器(也简称ROV)。广义水下机器人不论有人无人（是否载人）、有缆无缆（是否缆控）的水下机器人统称水下机器人。

3 什么是UUV、ROV、AUV及AUG

3.1 无人水下机器人UUV

侠义的水下机器人也叫潜水机器人、无人水下机器人等。学名为：无人水下航行器、无人（遥控）潜水器、水下无人航行器等，英文名Unmanned Underwater Vehicle，英文缩写UUV。是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具。主要指那些代替潜水员或载人小型潜艇进行深海探测、救生、排除水雷等高危险性水下作业的智能化系统。

无人水下潜航器UUV常分为：遥控型ROV和自主型AUV。

3.2 遥控型水下机器人ROV

遥控型是指缆控（有缆）水下机器人，习惯上把它称作遥控潜水器。英文名Remote Operated Vehicle，英文缩写（简称）ROV。ROV是拴在宿主舰船（母船）上，由操作人员持续控制。ROV性能不同分为：观察级和作业级。观察级ROV的核心部件是水下推进器和水下摄像系统，有时辅以导航、深度传感器等常规传感器。本体尺寸和重量较小，负荷较低。成本较低。作业级ROV用于水下打捞、水下施工等应用，尺寸较大，带有水下机械手、液压切割器等作业工具。造价高。ROV都是遥控式的，根据运动方式不同可分为拖曳（拖航）式、移动式（海底结构物上爬行）和浮游（水中自航）式三种。前两种在海底运动，最后一种在海中运动。

3.3 自主型水下机器人AUV

自主水下机器人又称自动水下机器人、自治水下机器人、水下自动机器人等。学名：无缆水下机器人、无缆遥控潜水器、自主式水下航行器等。英文名Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV。这类水下机器人的活动不受电缆约束，其活动范围很大，可达上千公里。它是具有智能行为的高级水下机器人。所以又称智能水下机器人、海洋智能机器人等。按照航程的远近分为远程和近程两类：所谓远程是指水下自动机器人一次补充能源连续航行超过100海里以上，而小于100海里称为近程。

3.4 水下滑翔机AUG

水下滑翔机Autonomous Underwater Glider，缩写AUG，广义来说属于无人水下航行器UUV的一个新的种类，也可以被看作是一种水下机器人。侠义来说也是自主型水下机器人AUV的新分支。能够依靠自身动力和推进系统实现自推进水下航行，同时具备水下精确定位和精密导航能力，能够在远海大洋深处长时间进行航行，一次出航部署时间可以长达200天，最大工作深度可以达到1000-1500米，最大航程达到2300-3000海里。作为一种新概念的无人水下航行器，水下滑翔机需要适应复杂严苛的海洋环境，因此在低阻低噪外形、高强度轻质壳体材料、致密能源、自主智能避障与航路规划等方面广泛应用了很多先进技术，能够充分和集中体现一个国家的科学技术水平和精密制造能力。

4 水下机器人的几个发展阶段

1928年，一位美国人，奥蒂斯巴顿发明并建造了第一艘球形深海探测装置。该装置通身都用钢铁建造，它可以从一艘水面船舶上通过连接的电缆下潜到海面之下。1930年，巴顿和另一名博物学家威廉·彼博一起乘坐这个球形装置下潜到了距海面245米的深度；1932年，他们又下潜到了923米的深度——这一纪录直到15年之后才被打破。后来彼博写了一本书《1/2英里之下》，他在书中详细描绘了所见到的奇异的海底生物。之后，水下机器人从此拉开了序幕。

（1）第一阶段研制和开发时期

从1953年至1974年为第一阶段，主要进行水下机器人的研制和早期的开发工作。1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20来艘无人遥控潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。

（2）第二阶段快速发展时期

1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发。

（3）第三阶段水下机器人智能化全面发展

20世纪90年代以后，技术开始成熟。自主水下机器人主要由自动驾驶、导航定位、自诊断和故障处理、测量设备和能源等组成，具有活动范围大、机动灵活隐蔽性好的特点，现已发展到第三代智能深潜器。被广泛应用于军事和民用领域。

5 无人有缆潜水器ROV应用领域

（1）安全搜救

可用于检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物以及结构好坏情况；遥控侦察、危险品靠近检查；水下基阵协助安装/拆卸；船侧、船底走私物品检测(公安、海关)；水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等；搜寻水下证据(公安、海关)；海上救助打捞、近海搜索。

（2）管道检查

可用于市政饮用水系统中水罐、水管、水库检查；排污/排涝管道、下水道检查；洋输油管道检查；跨江、跨河管道检查。

（3）船舶河道海洋石油

船体检修；水下锚、推进器、船底探查；码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查；航道排障、港口作业；钻井平台水下结构检修、海洋石油工程。
（4）科研教学

水环境、水下生物的观测、研究和教学；海洋考察；冰下观察。
（5）水下娱乐

水下电视拍摄、水下摄影；潜水、划船、游艇；看护潜水员，潜水前合适地点的选择。
（6）能源产业

核电站反应器检查、管道检查、异物探测和取出；水电站船闸检修；水电大坝、水库堤坝检修(排沙洞口、拦污栅、泄水道检修)。
（7）其它领域

ROV其它应用领域如：考古（水下考古、水下沉船考察）、渔业（深水网箱渔业养殖，人工渔礁调查）。

6 深海潜水器与潜艇下潜深度区别

海洋深度分为5个水层：海洋上层（200米以上）、海洋中层（200米〜1000米）、海洋深层（1000米〜4千米）、海洋深渊层（4000米〜6000米）、海洋超深渊层（6000米以下）。常规动力攻击潜艇水下潜深度200～400米。核动力攻击潜艇水下潜深度300～500米，有的可达700余米。深潜器是一种能在深海进行水下作业的潜水设备，分民用和军用两类，具有军民通用性质，一般不携载武器，潜水深度一般为2000～5000米左右，个别达11000米。现在正在设计和使用的遥控机器人、深潜器绝大部分是依靠与舰船联接的缆线操纵行动。

7 水下机器人的发展方向及趋势

（1）突破潜航器设计技术障碍

为降低成本、减少能源消耗，未来无人潜航器技术将会向体积小兼容性高及模块化方向发展，突破现有潜航器设计中的障碍。一方面由于国际间的技术合作愈加密切，高兼容性和模块化技术的应用将大幅度降低无人潜航器的制造成本；另一方面，由于微机电系统技术的应用和装置的缩小，使得设计出体积更小的无人潜航器成为可能，进而减少能源消耗。例如，2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人问世。哈尔滨工程大学船舶工程学院5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。

（2）开发新能源提高续航力向远程发展

为满足军事需求，要求未来无人潜航器将具有更长时间的执行任务能力，新的能源必须为无人潜航器提供更长的续航力，如数月、甚至数：年以上。目前核电池及太阳能电池都已经能够满足这一需求，在目前先进的电池技术基础上，未来无人潜航器的能源系统将会更加持久和安全。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。

（3）民用军用齐步发展

早期的水下无人潜航器只是用于民用领域，可以代替潜水员进行沉船打捞、深水勘探以及水下电缆铺设等作业和施工。直到上个世纪90年代，无人潜航器的相关技术发展相对成熟，其在军事领域的重要价值才日渐被人们重视。今后民用军用将齐步发展。

（4）军用水下无人机器人将重量按多级别发展

根据水下机器人重量不同可分：便携式无人潜航器、轻型无人潜航器、重型无人潜航器、巨型无人潜航器四个级别。目前海军AUV的最大下潜深度为200米，但新型AUV的下潜深度为1000米。

（5）军事上半潜型无人潜艇也会进一步发展

目前，一些国家还在开发一种半浮半潜型无人潜航器，即虽然航行体本身在水下，但是发动机的进气和排气口以及通信天线等仍露在水面上。这种无人潜艇不但自身装有传感器，而且还携带了有传感器的小型潜水器，用来搜索海底附近的鱼雷等。这种半潜型无人潜艇通过通信天线从母舰上进行无线遥控操作，可以利用全球定位系统，按照事前设定的路线独立航行。

（6）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。我国正在向10000m级水深研制。

（7）载人和无人深潜器相结合的混合式发展

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。

8 结语

AUV具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点，但是AUV的回收问题让人十分头疼，目前而言AUV的回收尤其是深海区域的回收成为世界范围内的难题。AUV与ROV对比只具备观察和测量功能，不具备作业能力，而ROV则不同它可以实现水下的简单作业，水下打捞、水下液压切割、船舶清洗修补等，技术非常成熟。但是AUV具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点，这是ROV所不擅长的。AUV是新一代智能水下机器人，是发展到第三代的智能深潜器。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。当前水下自动机器人的发展趋势为更深、更远、功能更强大，特别是未来海上作战等军事需求的增加，给水下自动机器人的发展带来了无限生机，也预示着AUV开始走向应用阶段。