第2章 水中机器人概述

2.1 水中机器人简介

2012年6月24日，“蛟龙号”载人潜水器（Human Occupied Vehicle, HOV）成功突破7000m下潜深度，我国成为世界上继美国、俄罗斯之后第三个能够进行设计与集成深水载人潜水器的国家。水中机器人再一次掀起了深海资源探测开发的热潮。众所周知，占70%地球表面积的海洋，蕴藏着无法估量的资源。因此，世界各国都将目光聚集到了广袤的海洋，都将海洋看作未来的战略宝库。同时，围绕着海洋资源，海权成为近年来领土争端的热点。到目前为止，世界的发展已经充分的印证了“21世纪是海洋的世纪”这句话。

水中机器人在人类探索和开发海洋的历程中发挥了重要的作用。其中以“阿尔文号”、“和平号”、“蛟龙号”为代表的载人潜水器，使人类可以直接参与到海底资源、环境的探索中去。同时，以CR01、CR02、“潜龙一号”“潜龙二号”等为代表的自主水中机器人，它们以自主的方式完成对目标海区的地形探测、环境信息采集、地质调查等任务。还有以“海沟号”、MAX Rover、“海龙号”“海斗号”为代表的遥控水中机器人（Remotely Operated Vehicle, ROV），操作员通过脐带缆直接对潜水器进行操纵，完成各种水下作业任务。

2.1.1 水中机器人的定义与分类

水中机器人，又称海洋机器人或者无人潜水器，是一种可在水下移动、具有感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的机电一体化智能装置。水中机器人是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一，也是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展所必需的一种高技术手段。

水中机器人在机器人学领域属于服务机器人类，在国家标准GB/T13407—92《潜水器与水下装置术语》中，水中机器人应称为无人潜水器，该标准发布20年来，这一称谓未被普遍接受，实际使用率低且国标内容已陈旧，与当前发展不适应。因而，本书继续使用频度较高的“水中机器人”这一名称，它包括有缆遥控水中机器人（Remotely Operated Vehicles, ROV）和自主水中机器人（Autonomous Underwater Vehicles, AUV）两大类。此外，由于载人潜水器在技术和功能上与水中机器人有共性，有少数文献将其纳入水中机器人类。其实这三类机器人的主要差异在于操作模式，操作者在机器人体内称为载人潜水器，位于体外（如母船上）通过电缆进行操作的称为遥控水中机器人，用体内计算机代替操作者的则称为自主水中机器人。

1．遥控式水中机器人（ROV）

ROV能够克服AUV能源动力不足的缺陷，它的能源和控制指令都由水面控制台提供，通过脐带缆传递给ROV。ROV的优点在于动力充足可以支撑复杂或大型的探测设备，信息采集和数据传送工作快捷方便，数据采集量大，由于其操作控制和信号处理等工作全部由水面的计算机和工作站来完成，人机交互水平高于AUV，所以ROV的总体决策能力要高于AUV。ROV的致命缺陷就是自身的生命线脐带缆，在短程操作中问题不大，但是在长距离水下作业中，脐带缆很容易与水下其他结构发生缠绕，当距离较长时，对ROV的动力也是一个很大的挑战。

国外ROV典型的产品主要有美国的CURV（如图2-1所示）、日本的KAIKO“海沟号”、法国的PAP104、意大利的PLUTO-plus、德国的“企鹅-B3”、瑞典的“海鹰”、加拿大的“开路先锋”等。其中，日本的KAIKO可以到达海洋的最深点——10911.4m的马里亚纳海沟。

我国经过近30年的发展已经可以自主研发和生产包括浮游式、爬行式和拖拽式的各种型号的ROV。如2002年中国科学院沈阳自动化探究所研制的第一台自走式电缆埋设机器人CISTAR（如图2-2所示）和2004年我国上海交通大学研发的下潜深度最大、功能最强的取样机器人“海龙号”等。

2．自主水中机器人（AUV）

AUV涉及流体力学、水声学、光学、通信、导航、自动控制、计算机科学、传感器技术、仿生学等众多领域的高新技术，成为当代科技最新成果的结晶。AUV在水下通过各类传感器测量信号，经过机载CPU进行处理决策，独立完成各种操作。例如，进行水下机动航行，动力定位，信息采集，水下探测等。通常这种机器人依靠水声通信技术与岸基和船基进行联络，或者浮出水面，撑起无线电天线，与陆基和卫星进行通信。AUV的能源完全依靠自身提供，往往自身携带可充电电池、燃料电池、闭式柴油机等。该类设备的优点是活动范围可以不受空间限制，并且没有脐带缆，不会发生脐带缆与水下结构物缠绕问题，但是水下的续航能力和负载能力受到自身能源的强烈制约，只能完成一些短程和轻载的工作，而自身的CPU处理能力又很大程度上限制了AUV所能从事工作的复杂程度。

AUV在实际的水下作业中无须人工干预，它们可以自主地航行在难以接近的、无法预知的或危险的海洋环境之中，完成自主导航、自主避障和自主作业等任务。因此，AUV成为完成各种水下任务的有力工具。例如，在海洋工程领域，可用于施工前调查、施工中监视、施工后巡检，水下作业支援，水下施工、维护、维修等；在海洋科学研究领域，可用于海洋环境数据采集，海床地质地貌勘察（如图2-3～图2-5所示），海洋考察及冰下科学考察；在军事领域，可用于敌情侦察，水雷战与反水雷战，援潜救生等。

3．新概念水中机器人

近几年，中国科学院沈阳自动化研究所在国家“863”计划的资助下研制了多种新概念水中机器人，包括水下滑翔机、混合型水中机器人（ARV）、便携式自主观测系统、两栖机器人、作业型遥控水中机器人、快速反应型水中机器人、用于水下传感网的接驳盒等，它们的特点是突破了传统水中机器人的概念，在原理和结构上有较大的创新。目前，这些研究工作已攻克了多项关键技术，取得了阶段性的成果。在前沿探索领域，先后开展了仿鱼、水面救助、六足步行、海底遁行、轮腿桨一体化、波浪能滑行、水面/水下两栖以及半潜航行器等水中机器人的理论和试验研究。

水下滑翔机目前是国际上的研究热点，它是一种无外挂推进器的新型水中机器人。它借助改变自身浮力和重心在水下做滑翔运动，具有航行阻力小、能源利用率高、航行距离远、噪声低、成本低、回收方便等优点，可在海洋监测与探测领域发挥重要作用，具有广阔的应用前景。沈阳自动化所在我国率先研制成功了水下滑翔机功能样机。2005年10月，研制的水下滑翔机样机成功进行了湖上试验。试验表明水下滑翔机器人的运动机理、驱动原理和载体设计优化等的关键技术已经得到解决。

2014年9月至10月，沈阳自动化所研制的水下滑翔机在南海进行了海上试验（如图2-6所示），完成了多滑翔机同步区域覆盖观测试验和长航程观测试验（如图2-7所示）。在长航程试验中，滑翔机海上总航程突破1000km，达到1022.5km，持续时间达到30天，创造了我国深海滑翔机海上作业航程最远、作业时间最长的新纪录。

ARV是一种集自主水中机器人（AUV）和遥控水中机器人（ROV）技术特点于一身的新概念水中机器人。它具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式（自主/半自主/遥控），自带能源并携带光纤微缆，既可以作为AUV使用，进行大范围的水下调查，也

可以作为ROV使用，进行小范围精确调查和作业。与传统的AUV相比，ARV可以携带机械手，增加了作业能力，而与传统的ROV相比，ARV将作业范围从几百米扩展到几千米。因此，这种新概念水中机器人可在大范围、大深度和复杂海洋环境下进行海洋科学研究和深海资源调查，具有更广泛的应用前景。

北极冰下自主/遥控海洋环境监测系统（简称“北极ARV”）是由中国科学院沈阳自动化研究所主持研制，它是一种针对北极海冰连续观测需求，并且自带能源，利用光纤通信技术，将自主水中机器人和遥控水中机器人技术有机结合，在一个载体上实现两种水中机器人功能的新概念水中机器人。它可在冰下较大范围内根据使命程序自主航行和遥控定点精细调查。

“北极ARV”先后三次参加了北极科学考察。2008年“北极ARV”参加了中国第三次北极科考（如图2-8所示），在北纬84°附近开展了基于雪龙船中山艇的冰下观测作业。2010年6月至9月，“北极ARV”再次参加了中国第四次北极科考（如图2-9所示），在北纬87°附近北冰洋上一块大面积海冰上，通过从人工开凿的冰冻释放与回收，在冰下针对不同的水平断面，进行了连续多次的重复观测。其搭载的温盐深测量仪、仰视声呐、冰下光学测量仪和两台水下摄像机，获取了大量基于海冰位置信息的海冰厚度、冰下光学和海冰底部形态等多项关键的科学数据，成功实现了冰下多种测量设备的同步观测，为深入研究北极快速变化机理奠定了技术基础。同时，这也标志着我国自主研制的水中机器人已进入到应用阶段。2014年7月至9月“北极ARV”圆满完成了中国第六次北极科学考察任务，在高纬度下实现了对海冰物理特征、水文和光学等的自主精确观测，如图2-10所示，为我国北极科考提供了一种大范围、先进、连续、实时的冰下观测手段。

4．水下作业工具和通用部件

在多年的研究生产过程中，中国科学院沈阳自动化研究所将水中机器人常用部件进行了标准化整理，形成了通用部件系列，这些部件可以方便地应用到水中机器人及相关产品中，缩短了水中机器人的研究和生产周期，并且为从事海洋工作的兄弟单位提供了强有力的支援。

水下作业工具主要有：机械手（如图2-11所示）、清洗刷、液压剪、冲洗枪、砂轮锯、缆绳释放器；通用部件包括：水密电缆接插件（如图2-12所示）、水下照明灯、水下摄像机、电动液压云台、耐压电子舱、补偿器、分线盒、液压阀箱等。

5．载人潜水器

美国是较早开展载人深潜的国家之一，1964年建造的“阿尔文号”载人潜水器是其代表作，如图2-13所示，可以下潜到4500m的深海。1985年，它找到泰坦尼克号沉船的残骸，如今已经进行过近5000次下潜，是当今世界上下潜次数最多的载人潜水器。此外，美国的“里雅斯特号”深潜器创下了11000多米的记录，至今无人突破。

法国在1985年研制成的“鹦鹉螺号”潜水器最大下潜深度可达6000m，累计下潜了1500多次，如图2-14所示，完成过多金属结合区域，深海海底生态等调查，以及沉船、有害废料等搜索任务。

俄罗斯是目前世界上拥有载人潜水器最多的国家，比较著名的是1987年建成的“和平一号”与“和平二号”两艘6000m级潜水器，如图2-15所示。带有十二套检测深海环境参数和海底地貌设备，最大的特点就是能源比较充足，它可以在水下呆17～20h, 《泰坦尼克》的电影里面很多镜头就是“和平一号”和“和平二号”探测的镜头。

日本1989年建成了下潜深度为6500m的深海6500潜水器，如图2-16所示，水下作业时间8h，曾下潜到6527m深的海底，创造了载人潜水器深潜的纪录。它对6500m深的海洋斜坡和大断层进行了调查，并对地震、海啸等进行了研究，已经下潜了1000多次。

表2-1给出了人类借助不同装备或者方式可以下潜到的极限深度。

“蛟龙号”作为我国首台自行设计、自主集成研制的载人潜水器，可在7000m深海处进行高清摄录，海底地形测量，水样、沉积物样、生物样品采集等多项作业。中国科学院沈阳自动化研究所在“蛟龙号”各级别试验中负责其大脑，即控制系统的研制及试验任务，如图2-17所示。在各次海试中，中国科学院沈阳自动化研究所承担研制的控制系统性能稳定，经受住了各种考验。

6．仿生机器鱼

仿生机器鱼（bio-mimetic robot fish），又名机械鱼、人工鱼或鱼形机器人，顾名思义即参照鱼类游动的推进机理，利用机械电子元器件或智能材料（smart material）来实现水下推进的一种运动装置。

国外学者很早就致力于对鱼类推进模式及仿生机器鱼的研究。1994年MT研究组成功研制了世界上第一条真正意义上的仿生金枪鱼。此后，结合仿生学、机械学、电子学、材料学和自动控制的新发展，仿生机器鱼的研制渐成热点，表2-2中给出了国外一些典型的机器鱼研究项目。

从表2-2中可以看出，美国和日本进行的机器鱼研究比较多，取得的成果也比较多。国外仿生机器鱼的研究发展趋势是利用新材料、新技术，对机器鱼的结构不断改进；结合水动力学研究的进展，提升机器鱼的综合性能，使之更加符合鱼类的推进机理。在此基础上，开始研制具有3D运动（上浮、下潜）的机器鱼，并且结合传感和控制技术研制人机交互式的智能鱼。

20世纪80年代中后期，中国科学技术大学的童秉纲和程健宇采用半解析半数值的方法，提出了三维波动板理论（3DWPT），得到了国际上鱼类生物力学研究群体的广为运用和认同；1994年华中理工大学开展了柔性尾鳍推进装置的实验与理论研究，初步探讨了尾鳍参数与推进效率之间的关系，并对鱼形机构的尾鳍部分进行试水试验，以验证鱼形机构的可行性；哈尔滨工程大学在国防基金的支持下，开展了仿生机器章鱼的研究，其主要目的是用于辅助打捞沉船，近期他们又研制了一条仿生金枪鱼；哈尔滨工业大学在国家自然科学基金的支持下，开展了水中机器人仿鱼鳍推进机理的研究，建立了利用弹性组件提高驱动效率的实验平台；中国科学院沈阳自动化研究所制作了两关节的仿生机器鱼模型；北京航空航天大学机器人研究所深入开展了仿鱼机器人（潜水器）技术的研究，提出了波动推进理论及其分析方法，设计研制了游动速度为0.6m/s的仿生“机器鳗鱼”实验模型，2001年3月又研制了仿生“机器海豚”，并在北京航空航天大学水洞实验室内进行了速度、功率参数测定实验、鱼体流动显示实验和鱼体运动阻力测定实验，获取了鱼的摆动推进深层次机理；2001年中国科学院自动化所复杂系统与智能科学重点实验室和北京航空航天大学机器人研究所联合开展多微小型仿生机器鱼群体协作与控制的研究，旨在为未来复杂、动态水下环境中多仿生机器人系统控制和协调作业提供理论基础和技术支持；北京大学智能控制实验室开展了一系列的水中仿生机器人的研究工作，继成功研制仿生机器鱼后，又先后开发了实现背腹式运动的仿生机器海豚，采用两自由度划水运动的机器海龟，基于桨腿复合机构的水陆两栖机器人以及胸鳍和尾鳍驱动能自主定位的仿生盒子鱼，如图2-18所示。采用多个在身体周围分布的仿生拍动翼进行推进，可实现较为灵活、自如的水下运动，同时能够保证机器人具有良好的稳定性。

目前，国内从事鱼类推进机理研究和机器鱼相关研究的研究机构较少，整体说来，国内仿生机器鱼及相关研究尚处于起步阶段，呈现以下特点：

（1）偏重于复杂的水动力学分析，未能与鱼类的推进很好地结合起来。

（2）机器鱼结构简单、外形简陋、综合性能较低。

（3）仿鱼推进技术、传感技术以及控制技术的融合、集成发展程度不高，机器鱼的智能性不强。

（4）控制问题研究少，机器鱼的运动控制和多机器鱼的协调研究起步较晚。

2.1.2 国内外水中机器人的研究现状

世界海洋机器人发展的历史大约60年，经历了从载人到无人，从遥控到自主的主要阶段。我国的科研人员用了大约一半的时间走过了这一历程。加拿大国际潜水器工程公司（ISE）总裁麦克·法兰将海洋机器人的发展历史分为4个阶段，并将前3个阶段称为革命：第一次革命在20世纪60年代，以载人潜水器为标志；第二次革命为20世纪70年代，以遥控水中机器人的迅速发展为特征；第三次革命大体为20世纪80年代，以自主水中机器人的发展和水面机器人的出现为标志。现在则是混合型海洋机器人的时代。目前，国外拥有的海洋机器人中的主要类型国内均有研制开发，其总体集成水平大体上达到或接近国际水平，但在一些关键部件和某些材料的研究方面还有很大差距。

我国在20世纪70年代至80年代先后研发了“鱼鹰号”和“蓝鲸号”载人潜水器。最具代表性的成果是类似“神舟十号”与“天宫一号”对接的水下对接试验。一艘7103深潜救生艇与坐沉海底的潜艇（模拟潜艇失事状态）精确对接，并将潜艇艇员转移到深潜救生艇中。这是海军航保部门主持，由上海交通大学等单位完全依靠自主技术研发的重大成果。40年后，我国载人潜水器的潜深能力已从200m提升至超过7000m。

我国的水中机器人事业起步于20世纪80年代，中国科学院沈阳自动化研究所是我国较早开展海洋机器人研究的单位之一，三十多年走过的风雨路具有一定的代表性。

1.ROV国内外研究现状

ROV的研究始于20世纪50年代，发展至今大体经过以下5个阶段：婴儿阶段（1953—1965年）、儿童阶段（1966—1974年）、青春期阶段（1975—1982年）、不成熟阶段（1983—1989年）和成熟阶段（1990年以后）。ROV是当前开发利用深海海洋资源最为有效的水下作业平台和深海救援打捞最为安全有效的工具，其较强的作业能力使其在半个世纪的时间内从诞生走向了产业化。

实际上最著名的ROV是日本开发的万米级“海沟号”水中机器人，1995年日本海洋科技中心研制的“海沟号”水中机器人成功地探测了世界上最深的马里亚纳海沟，水深为10911.4米，并进行了试样采集及拍摄等考察活动，创造了新的世界下潜深度记录。“海沟号”水中机器人本体丢失后，日本将7000米级的UROV7K进行了改造，与“海沟号”中继器配合，重新推出了深海探测水中机器人“Kaiko7000”，如图2-19（a）所示。Jason/Medea是美国WHOI设计制造的深海ROV，如图2-19（b）所示，1988年开始下水作业，平均水下作业时间可持续21个小时。性能更先进的Jason2/Medea从2002年开始下水作业，其最大下潜深度为6500m。法国海洋开发研究所（IFREMER）与德国、英国的相关机构合作设计制造并拥有的Victor 6000，如图2-19（c）所示，最大下潜深度为6000m，从1999年开始进行科学考察活动。另外，加拿大海洋科学研究所的ROPOS的作业深度也可达到5000m，如图2-19（d）所示。此外，国际上还有许多国家也都拥有潜深1000m以上的ROV，如挪威、新加坡、巴西、英国等。

我国从20世纪80年代开始ROV的研究与开发工作。第一台ROV是由中国科学院沈阳自动化研究所与上海交通大学联合研制的HR-01号，如图2-20（a）所示，它分别于1985年底和1986年底在我国渤海湾和南海进行了深潜实验，分别下潜到59m和199m。中国科学院沈阳自动化研究所与美国合作研制了ROCON-IV型ROV，如图2-20（b）所示，其特点是装有多功能主动机械手，能进行洗、磨、割、爆破等工作，取得了良好的社会和经济效益。中国科学院沈阳自动化研究所自行研制了YQ2型作业型ROV、“海潜一号”和HI-100型ROV等，它们在海洋救助打捞方面发挥了重要的作用。另外，自1986年以后，上海交通大学与加拿大合作研制了ROV系列，包括观察型ROV—SJT-5，准作业型ROV—SJT-10，作业型ROV—SJT-40等。上海交通大学现已开发出3500m深海观测和取样型ROV“海龙-Ⅱ”，如图2-20（c）所示。

2.AUV国内外研究现状

20世纪50年代末期，美国华盛顿大学开始建造第一艘水中机器人——SPURV。SPURV在水中调查方面取得了一些成绩。20世纪60年代中期，产业界和军方开始对AUV发生兴趣。但是，由于当时技术上的难度太大，产业界和军界又将兴趣转移到载人潜水器。此后，AUV由于技术的原因在低水平上徘徊了多年。20世纪70年代中期，由于微电子技术、计算机技术、人工智能技术以及导航技术的飞速发展，再加上海洋工程和军事活动的需要，国外产业界和军方再次对AUV发生兴趣。进入20世纪90年代，AUV技术开始走向成熟。AUV代表了将来水中机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。

由于AUV在军事和科学研究方面的重要性，目前各海洋大国的许多大学和研究机构都投入了大量的人力和资金，用于研究和开发AUV。美国的AUV研究机构多，技术力量也非常雄厚，典型的AUV有美国海军研究生院的Phoenix AUV和性能更优越的Aries AUV，这两个机器人的研发主要是为了研究智能控制、规划和导航功能。麻省理工学院研发的OdysseyⅡ是一种主要用于海冰检测和标图的机器人。美国新罕布什尔自主水下系统研究所与俄罗斯远东科学院水下技术研究所联合开发的太阳能自主水下AUV正在尝试克服AUV的远程续航缺陷。美国的C.S.Droper实验室则在仿生AUV方面有巨大的突破，代表产品是仿黄鳍金枪鱼机器人——VCUUV。加拿大在1994年冰层电缆铺设方面率先采用AUV技术，研制出Theseus AUV，该机器人配备了一块70kWh铝氧燃料电池，续航能力达到36小时。后来该机器人的能源装置不断升级，到1997年完成第二代电池试验，续航能力较第一代显著提高。

英国研制的AUTOSUB AUV系列也是深海智能水中机器人中的典型代表之一，已成功地进行了多次海洋探测，特别是冰下探测中表现出其控制和导航系统具有较高的自主能力。

日本在AUV研究开发的同时，还进一步强调AUV技术的实用化。东京大学URA（浦）实验室开发了多种能力不同的AUV，如Twin-Burger1&2、Tri-dog1、R2D4、PTEROA150&250及R1等。俄罗斯也相当重视AUV技术的发展，主要研制了Mir Ⅱ、MT-88等，2004年11月澳大利亚国防科学与技术组织（DSTO）试验一艘名叫“海龟”的AUV，它在技术方面的一个重要特点是能够与外部世界通信而无须浮出海面。其他经济较为发达的海洋国家或地区，也在进行AUV的研究开发，如韩国的VORAM，中国台湾的AUV-HM1等。

我国的AUV发展虽然起步比较晚，但也取得了长足的进步，这与蒋新松院士的杰出贡献是分不开的。AUV在国内的研究基本上围绕两个中心来进行，一是以中国科学院沈阳自动化研究所为核心，与中船重工集团702所、中科院声学所、哈尔滨工程大学等单位合作，研制出“探索者”号AUV，此后与俄罗斯合作，研制出CR-01 AUV以及CR-02 AUV。近年来，中国科学院沈阳自动化研究所又成功研制了具有优越的续航能力的水下滑翔机器人、长航程AUV、“潜龙一号”、“潜龙二号”和新概念水中机器人“北极ARV”；还有以哈尔滨工程大学为中心，与中船重工集团702所与709所、华中理工大学等单位合作，先后研制出“智水-I”“智水-Ⅱ”、“智水-Ⅲ”和“智水-Ⅳ”等四型军用AUV。我国研制的AUV在智能控制技术上已经接近了世界先进水平。另外，北京航空航天大学和北京大学工学院致力于仿生机器鱼的研究，为新推进器技术、新型结构以及控制算法的研究奠定了良好的基础。

CR-01曾两赴太平洋，调查了洋底的锰结核分布和丰度情况，为我国在东太平洋成功圈定7.5万km2的锰结核专属矿区作出了重要贡献。如图2-21所示的“潜龙一号”6000m自主水中机器人在2013年成功完成在东太平洋5000多米水深持续工作近10小时的应用性试验，最大下潜深度为5080m，创下了我国自主研制水下无人无缆潜器深海作业的新纪录。

中国科学院沈阳自动化研究所研制的我国第一台长航程自主水中机器人，如图2-22所示，可连续航行数十小时，续航能力达到数百公里，多次刷新了我国AUV单次航行时间和航行距离的历史记录。它代表着当前我国长航程AUV的最高水平，在总体技术方面已达到国际先进水平。长航程AUV的研制成功，表明我国水中机器人技术自主创新能力达到了一个新的水平，具备了自主研究开发长距离AUV产品能力。

2015年1月，中国科学院沈阳自动化研究所研发的“潜龙二号”水下机器人在千岛湖顺利完成了第一阶段湖上试验，如图2-23所示，取得了多项历史性的突破。在国内首次将非回转体立扁形设计理念应用于AUV，提高了稳心，实现了水面遥控回收AUV方案；首次采用回转式推进器布局，实现了AUV的强操纵性能力；采用先进的控制方法，实现了潜水器高精度动态和稳态航行控制；首次采用基于前视声呐的避碰控制方法，大幅提高了潜水器避碰控制水平，在千岛湖实验现场多次成功进行了复杂地形近底航行和拍照；在国内率先在AUV上安装了磁力探测传感器，并对磁异常探测进行了有效验证，为探测多金属硫化物矿产资源奠定了坚实的基础。

2.1.3 水中机器人的研究内容

水中机器人技术涉及众多学科领域，其整体发展水平必然受到基础科学和共性技术发展水平的制约。与国际领先水平相比，我国在某些基础研究和共性技术领域还存在明显的差距。如水下导航、水下探测、水下通信领域以及某些特种传感器方面。而这些技术正是美国等西方国家对我国封锁的技术，因此我国在水中机器人总体技术水平上也与国际领先水平有着一定的差距。我们要寻求发展，就必须要立足自主开发。

1．智能水中机器人载体设计技术

智能水中机器人需适应复杂的海洋环境，其载体不仅要具有耐压、水密和承受负载的能力，而且要具有低阻力、高推进效率和实现空间运动的能力。另外，在十分有限的空间，需配置不同性能的多种传感器以满足环境探测、目标识别、自主航行和自主完成任务的需要。这些设备的系统集成设计要确保系统的信息流与控制流的正常工作，所以系统各个部分的电磁兼容和可靠性设计就显得十分重要。

（1）载体一体化设计技术

一体化设计采用标准化和模块化设计。为降低生产成本和使用成本，提高可靠性，扩展其应用，国内外正推进智能水中机器人的标准化和模块化，要求研究有关的机械、电气和软件标准接口概念，设计和建造中尽可能采用模块化设计，并重视开展总体布局与结构优化设计，主要功能部件小型化、智能化、低功耗设计。为节约能源、获得较大的航程，智能水中机器人宜采用流体阻力较小的载体外形，并合理布置舵翼和推进器，使机器人具有高度的水下机动性。同时尽可能采用具有重量轻、强度高、耐腐蚀及抗生物附着能力强等特点的新型复合材料，以减轻自重，提高续航力和有效负载。

（2）仿生载体技术

近年来，国内外不少学者十分重视研究仿生学，并试图将其应用到智能水中机器人载体的设计。由于鱼类游动的效率高、噪声低、操纵灵活且尾迹小，从水动力学、声学角度看，是十分理想的水中推进和操纵方式。若能将鱼类游动的原理成功地应用到智能水中机器人上，将是水下推进和载体技术的一个飞跃。

2．水下目标的探测与识别技术

水下目标的探测与识别对于自主水下作业来说是至关重要的。智能水中机器人要完成所赋予的使命，就必须获取各种环境信息，特别是水下目标的信息，并由此进行作业决策。根据水下的环境特点，常用的水下探测设备是声成像和光成像传感器。其中，声成像传感器占有主要地位，也是国内外研究的重点。目前，应用在智能水中机器人上的声成像传感器主要有高低频合成孔径声呐、侧扫声呐、前视声呐和三维声成像声呐。

光在海水中的衰减比在空气中快得多。光在水中传输的能量按指数规律迅速衰减，使得光学图像对比度产生严重的灰白效应，色彩丢失，视程很小。为了弥补微光成像系统的不足，各国十分重视水下激光成像技术的研究。理论推测激光成像距离可以达到12个衰减长度。国外在智能水中机器人上采用了激光线性扫描系统，作用距离相对较大，因而特别有价值，国内也积极开展这方面的研究，取得可喜的研究成果。

综合来说，由于海洋环境复杂，获取水下目标信息的手段十分有限。声探测距离远，所以仍是目前的主要手段。而对于依靠声图像的目标识别仍然有难度。根据水声专家的预测，依靠声反射特性可能是解决识别的正确途径。另外，激光成像具有微光成像的特点，距离又增加，是一种比较理想的手段，然而要满足对水下目标识别的要求，仍然有不少技术难关需要攻破。

3．水中机器人运动控制技术

水中机器人的运动具有明显的非线性与交叉耦合性。为了完成不同的任务，要求水中机器人在多个自由度上有较高的控制精度。所以，需要建立完善的集成运动控制系统，同时将信息融合、故障诊断、容错控制策略集成。

通常，水中机器人的控制方式有PID控制器、神经网络控制器和模糊逻辑控制器3种。神经网络控制器的优点是充分考虑了强非线性和各个自由度之间的耦合性，同时其学习机制也能够跟踪系统自身或外界环境的缓慢变化。其缺点是结构和参数不易确定，要求设计人员在这方面具有丰富的知识和实际经验，而且当环境变化比较剧烈时，神经网络的学习就出现明显的滞后现象，其控制容易发生振荡。模糊控制器的设计比较简单实用，而且稳定性也较好。然而，对于水中机器人难于得到较好的操纵经验，因此其隶属度函数的设定以及模糊规则的获取存在相当的难度，而这又将直接影响到控制的效果。

为了解决这3种方法中参数难以确定的问题，已出现了一种改进的S面控制方法，它从模糊逻辑控制方式出发，借鉴PID控制的结构形式，同时考虑神经网络的自学习能力，是一种全新的而又简单有效的控制方法。

复杂的海洋环境对智能规划与决策系统提出了较高的要求。海洋中海流的大小与方向不仅与时间有关，而且随地点的不同而变化。对水中机器人的智能规划与决策技术来说，海流的影响是必须考虑的干扰因素之一。

4．水下精确导航技术

智能水中机器人的导航系统须提供远距离及长时间范围内的精确位置、速度和姿态信息，目前国外实用的智能水中机器人均采用小型惯性导航系统。由于受到国外技术禁运的限制，往往无法采用这种系统作为智能水中机器人的导航系统。而采用光纤陀螺与多普勒速度计或相关速度仪组成船位推算系统，并利用GPS系统定期修正，是智能水中机器人现实可用的导航技术，在一定范围内能够满足任务要求，但导航精度还远不及惯性导航系统。

为了完成某些任务，智能水中机器人有时需要在较小的范围实现精确的定位。目前，通常的是水声定位技术，包括长基线、短基线和超短基线3种形式。为了满足未来智能水中机器人对水下导航技术的需求，国内外都在探索重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统等新型导航系统，但是这些系统的实用化还有待于一批关键技术的突破。

5．水下通信技术

智能水中机器人的监测、重新规划、传输数据、回收和多体协调等均需依赖其通信技术。现在水中通信方法有水声通信、光纤通信、电磁射频通信和激光通信等。

水声通信对智能水中机器人是比较理想的一种方式，是目前在水中远距离通信的唯一方法。实现水声通信最主要的障碍是随机多途干扰，满足较大范围和高数据率传输要求仍然有困难。为了获得各种海洋环境下的中、远距离（千米级）高数据率（10kbit/s）通信，需要解决多项技术难题。如需研究新型的信号处理方法，即自适应通道平衡法、空间分散法、频率分散法、数据编码法和多普勒路径法等。迄今为止，只有极少数国家在水声通信领域取得突破性进展，达到实用的程度。

光纤通信的优点是数据率高（100Mbit/s），抗干扰能力强。缺点是光缆的存在限制了智能水中机器人的工作距离和操纵性等。

水下电磁通信是可能的，但由于水中衰减的影响，作用距离和带宽受到严重的限制。视距和卫星射频通信能够以所需的高数据率传输信息，但要求智能水中机器人的天线露出水面并相当稳定。这使得智能水中机器人必须在近水面位置才能实现通信，而水中机器人在近水面复杂海洋环境中保持天线稳定是极其困难的。

现在已有研究演示智能水中机器人的高数据率水下激光通信。但海水的指数衰减特性将激光通信的距离限制在几个衰减长度，其传播距离或深度还受到空中—水面交界面的限制。美国利用衰减最小的蓝绿激光实现了空中对水下100m深处的潜艇的通信。但较大的功率使其体积重量均较大，要在水中机器人上应用，还有很长的路要走。

6．智能水中机器人的能源技术

智能水中机器人一般需要具有较长的续航力，这就对水下能源提出了更高的要求，除了能量重量比之外，还必须很好地解决燃料的储存、携带及安全问题。就目前国内外高密度能源的研究状况看，虽然已经取得了多项进展，但离真正满足智能水中机器人的需求，即达到体积小、质量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和成本低等，还需一段攻关过程。

现有的水中机器人多采用传统的铅酸电池、银锌电池和锂离子电池。铅酸电池能量质量比太小，银锌电池虽然能量质量比有较大的提高，但价格昂贵，这两种电池已逐渐被锂离子电池取代。目前，国际上大力发展的新型能源主要有水下蓄热式热电直接转换电池、水下质子交换膜燃料电池、水下铝氧半燃料电池等，其中蓄热式热电直接交换电池最适合水中机器人使用。各发达国家都投入巨资在进行研究，部分产品已试验性使用，我国在这方面尚处于起步阶段。

2.1.4 水中机器人的发展展望

水中机器人作为一种装备归于高端制造业，属于国家支持的战略新兴产业范畴，虽然其体量短时间内不会很大，但具有战略制高点的作用。总的来说，海洋空间不适合人类的生存，大规模开发和利用海洋资源对机器人和机器人技术有很大的期待和依赖。以机器人代替人推动和实现海洋装备无人化具有深远的战略意义。有人海洋平台，包括民船和军船，都在走数字化、自动化、少人化和无人化这条发展路线，而无人化本质上就是机器人化，这是今后海洋装备发展的潮流，也是意义深远的战略方向。

国外遥控水中机器人技术在20世纪就已经成熟，有人介入的这种作业模式已经成为复杂环境中进行深水作业的最有效（潜水员、载人潜水器均有局限性）甚至是唯一的手段，这种作业至少今后一二十年内不会改变。

为了适应未来深海资源开发的需求，遥控类型水中机器人将向大深度3000～6000米发展，作业动力将从目前100～200马力向数百乃至上千马力发展。信息化、虚拟、人工智能、图像处理、3D视频、脑电和头盔以及脑科学技术的进展将极大地改善操作者的工作环境，使人机交互操作更加高效、简单、轻松和安全。水中机器人与水面机器人相结合，无须大型支持母船驻留现场，将大幅度降低作业成本。同时，又便于实现远程监视与操作。基于水声通信及水下网络的新型水中机器人将会出现，使作业能力向更广的维度扩展。水中机器人技术与网络技术的结合推动了水下网络的发展，除传感网外，水下执行网、物联网、移动传感网将得到发展。

过去人们面对浩瀚的海洋只能望洋兴叹，水中机器人的出现和发展，将人的眼、手、足延伸进了海洋空间，替身海洋机器人承载着人类的寄托和梦想，将代替人巡游海洋的任何角落，去发现、认识和研究海洋。

如果换一个角度看待自主机器人，即自主机器人也是人，因此对机器人的研究也可以从行为开始，一系列的行为构成了机器人的自主能力。机器人的自主能力需要度量，即划分为不同的级别，级别与使命复杂度相关。将来会出现学士级、硕士级和博士级的机器人。显然，智能自主能力研究是当前和未来的研究重点之一。

由于海水介质的特殊性，相比其他类机器人而言，水中机器人更需要有强大的自主能力，包括环境认知、推理、决策、规划、学习和合作能力，但是从另一个角度来看，人们不会允许自主机器人成为独立王国，人在回路技术（有别于遥控）应当大力发展。

两栖（水面、水下）、三栖（水面、水下、空中）海洋机器人将出现，融合水面、水下、遥控和自主机器人优点的第四代海洋机器人将得到快速发展。

随着技术进步和制造成本的降低，几百至上千条各类水中机器人组成的大规模混合编队，将能承担起区域及全球海洋精细探测任务，这些将对数字海洋、智慧海洋工程建设起到重要作用。

现代水中自主机器人的连续航程已经达到数百公里至上千公里，其上可携带能对人类构成伤害的设备或武器，因此对水中机器人的法律地位与伦理问题已经提上研究日程。

2.1.5 水中机器人的研究目的和意义

海洋是生命的摇篮，资源的宝库，交通的要道，也是兵戎相见的战场。占地球表面积71%的海洋是人类赖以生存和发展的四大战略空间——陆、海、空、天中继陆地之后的第二大空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且是最具发展潜力的空间。作为蓝色国土的海洋，首先是一个沿海国家的“门户”，是其与远方联系的便捷途径，并且“门户”的安全是国家安全的重要组成部分，早在2500多年前的古希腊海洋学家锹未斯托克就提出过：“谁控制了海洋，谁就控制了一切。”很久以来人们就依赖于海洋航道进行大量的物品贸易，现在整个世界大部分的货物运输都依赖于海上运输，海洋运输是整个经济正常运转必要的一环。更重要的是，现在很多国家的石油、矿石等最基本的生产资料大部分都依赖于海洋运输，海洋运输的安全和对海洋的控制力成为一个国家生存的基本保障。

近年来，再次掀起的海洋热的浪潮是因为陆上的资源有限，很多资源已经开发殆尽，而浩瀚神秘的海洋，是一个富饶而远未得到开发的宝库，其中蕴藏着丰富的矿产资源、金属资源、生物资源和能源，人们急需开发这些资源以接替所剩不多的陆上资源来维持发展。并且，约占地球表面积49%、被认为“海洋公土”的国际海底区域是一个巨大的政治地理单元，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。哪个国家有技术和经济上的实力，就可以率先享受这部分资源。因此，各国展开了一场争夺海洋资源的无硝烟的战争，而赢得“蓝色圈地”的胜利就需要依靠深海高技术、依靠水中机器人技术。

水中机器人作为人类肢体和大脑在水下的延伸，可以在人类无法到达的深度和广度上进行探测、识别和作业。即使在湖泊、水库或者河流等人类可以到达的地方，水中机器人的开发和应用，也可以避免潜水员在水下作业时能见度低、作业强度大和作业质量效率低等缺点。水中机器人被广泛应用于水中兵器试验、海洋工程、水下考古、水库及水电站、水下防护救援、海底打捞等领域，可完成水下目标识别、录像、水下沉物打捞、海底电缆检测与维修、水下障碍物爆破等任务。一些军事强国还将水中机器人应用于未来战争，利用水中机器人探测水雷、扫雷、攻击敌舰等。因此，水中机器人的研制和利用具有重要的战略价值和意义，发展水中机器人技术是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展的伟大目标所必不可少的。