水下机器人——过去现在和未来

水下机器人——过去、现在和未来

海洋作为人类的蓝色国土，关系到人类的生存和发展，这是人类面临的更现实的问题。从20世纪后半叶起，水下机器人经历了从诞生、发展、到开始走向应用的历程。21世纪，伴

随着人类认识海洋、开发利用海洋资源和保护海洋的进程，水下机器人这一高新技术将进一

步发展并更加完善，21世纪将是水下机器人广泛应用的世纪。

1关于海洋

在浩瀚的宇宙中，有一个蔚蓝色的星球，那是人类赖以生存的地方——地球。地球的表面积为5.1亿平方公里，而海洋的面积为 3.6亿平方公里。地球表面积的71%被海洋所

覆盖。在烟波浩渺的海洋深处，蕴藏着什么样的宝藏？是否存在着智慧生命？海底生物是怎

样生活的？海底的地形地貌又是什么样的？所有这一切都使海洋充满了神秘的色彩，也吸引

了无数科学家、探险家为之探索。

从远古时代起，人们就泛舟于海上。从19世纪起，人们开始利用各种手段对海洋进

行探察。20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。

人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49%的海洋是国际海底区域，该区域内的资源

不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。

因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意

义是显而易见的。

2水下机器人历史回顾

水下机器人也称作潜水器（Underwater Vehicles），准确地说，它不是人们通常想象的具有人形的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置，其外形更象一艘潜艇。

水下机器人的种类很多，其中载人潜水器、有缆遥控水下机器人（ROV）、无缆水下机

器人（AUV ）是三类最重要的潜水器。回顾水下机器人的发展历史，我们从中可以看到人类征服海洋的进程。

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。

其排水量从几吨到几十吨，航速为1~2.5米/秒，下潜深度为几百米到一万米。在载人潜器

上有密封的载人舱室及生命保障系统，可乘坐2~3人，还有供观察用的窥视窗，潜水人员

坐在耐压舱内通过视窗对海底世界进行观察，同时潜水器内还带有各种测量仪器、通讯设备，

并可以携带1或2个机械手。图1为早期的载人潜器示意图。图2为法国的Nautile载人

潜器。

图I早朋载人滞器示意图图丄法国的载人Naiitite

世界上第一台载人潜器叫Argonaut the First，是由西蒙•莱克于1890年制造的。从20世纪60年代中期到70年代中期是载人潜器发展的鼎盛时期，其技术发展得较为成熟，此后逐渐进入低谷。

例如影片《泰坦尼克号》中的许多珍贵镜头，就是由俄罗斯科学家利用载人潜器“和平1号”、“和平2号”在水下拍摄的。

随着计算机技术的发展，美国、俄罗斯、日本等国先后研制出无人潜器，即水下机器人，它比载人潜器要小，也更灵活。按照水下机器人与母船间有无电缆连接将其分为有缆遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicles ，ROV) 和自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle ，AUV。ROV通过电缆由母船向其提供动力，人在母船上通过电缆对ROV S行遥控。而AUV自带能源，依

靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋予的使命。

早在20世纪50年代，有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世界，他们把摄像机密封起来送到了海底，这就是ROV的雏形。1960年美国研制成功了世界上第一台RO#“CURV1，如图3所示，它与载人潜器配合，在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，由此引起了极大的轰动，ROV技术开始引起人们的重视。另外，当时发生的石油短缺使得油价提高，刺激着近海石油开发业的发展，同时也促进了ROW迅猛发展。到了70年代，ROV产业已开始形成，ROV在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得广泛的应用，是目前使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。ROV的最大下潜深度可达一万米。图4和图5为美国CURV2® CURV3型ROV这是在CURV1 的基础上不断改进而产生的功能更完善的ROV

«] 3 早朗白勺ROV-CfRVl

图5 CVRV3 塑ROV

20世纪50年代末期，美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人一一“ SPURV,这

艘AUV主要用于水文调查。从60年代中期起，人们开始对无缆水下机器人产生兴趣。但是，由于技术上的原因，致使AUV的发展徘徊多年。随着电子、计算机等新技术的飞速发展及海洋工程和军事方面的需要，AUV再次引起国外产业界和军方的关注。进入90年代, AUV技术开始逐步走向成熟。图6为美国海军研制的AUV —AUSS。

图6姜国的AUSS

3水下机器人的发展趋势

纵观水下机器人的发展历史，无论是载人潜器还是ROV或AUV都代表了一定历史时期潜水器技术发展的状况及市场的需求。现阶段水下机器人的发展趋势体现在以下几个方面：

(1) AUV代表了未来水下机器人研究的方向当前在各类水下机器人研究中，AUV是一个热点，我们可以通过大量的国际会议了解到当前国际上水下机

器人研究发展的这种趋势。另外，各国对AUV研究的投资也比其它类型机器人的投资要多得多。对AUV的研究范围比较广泛，既包括当前的应用研究也着眼于未来进行基础研究，从经济型到复杂型，有军用的也有民用的，几乎覆盖了AUV 的各种类型。

事实上，AUV是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。在军事上，AUV亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与ROV相比，它具有活动范围大、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。AUV代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。当前AUV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AUV的发展带来了无限生机，也预示着AUV开始走向应用阶段。

•更深一一向深海发展

地球上97%勺海洋深度在6000米以上，称之为深海。研制6000米的潜水器是许多国家的目标。美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000米

级的AUV尽管ROV和载人潜器也能达到这个深度，但发展AUV比其它潜器的造价要低得多，更经济。图7为我国第一台6000米自治水下机器人“ CR01”，它主要用于太平洋洋底多金属结核的调查。

图7 -CR-Ol" 6000未自治水下机蛊人

•更远一一向远程发展

AUV的分类方法有几种，其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。所谓远程是指AUV 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。

远程AUV涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。因此，许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作，以期获得突破性的进展。也只有在上述关键技术解决后，才能保证远程AUV计划的实施。