【科技评论】征服未知海底的利器 ——详解智能水下机器人
征服未知海底的利器
详解智能水下机器人
章诚 华泰证券研究员究所 研实员
智能水下机器人，将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一载体上，在没有人工实时控制的情况下自主决策，代替人类在复杂的水下甚至是海洋环境中控制完成预定任务使命。
水下机器人诞生于20世纪后半叶，随着军事及海洋工程的需要，以及电子、计算机、材料等高新技术的发展，截止到2013年，水下机器人的数量已增长了200多倍。从军用到民用，从浅海到深海是水下机器人的发展路径。截至2013年，全世界仅有不到三分之一的水下机器人属于军用，民用水下机器人已广泛应用于海洋石油、渔业、新能源产业、科研教学、船舶水下检修和河道疏浚等领域。
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。
但我国水下机器人的研发技术水平与欧美等国还存在一定差距，致使国产水下机器人的实际应用受到限制。未来我国一旦在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航技术方面有所突破，将极大拓展我国水下机器人应用新领域。
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，三个行业GDP总值及占比连年增长。我国水下机器人一旦打开新应用领域则市场空间巨大。预计到2020年我国海洋生产总值占GDP比重超过12%，到2030年这一比重将超过15%。2013~2017年全球工作级水下机器人项目总投资额将达97亿美元，较之前5年的投资额增长将近80%。
1 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。
水下机器人发展历程
1953年，美国研制出无人有缆遥控潜水器，标志着水下机器人诞生。随后世界各国开始大力发展水下机器人。
1953年-1974年，为水下机器人的第一发展阶段。各国开始进行潜水器研制和早期开发工作，先后研制出20多艘潜水器。美国海军1956年研制出“CURV1”号水下机器人,其在服役期间曾执行数百次任务，从海底回收了100多枚鱼雷。1966年美国的CURV水下机器人与“阿尔文”号深潜器配合，在西班牙沿海将失落的氢弹从856米的大洋深处打捞上来,引起世界各国的关注。
1975年-1985年是遥控潜水器大发展时期，也是水下机器人的第二发展阶段。开发海洋石油和天然气的应用需求，推动了潜水器研究理论和应用的发展，潜水器的种类和数量都得到显著增长。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、海事救捞等领域，都发挥了较大作用。
1985年后，潜水器又进入了一个新的发展时期。中国从80年代开始，进行水下机器人的研究和开发，研制出“海人1号”（HR-1）水下机器人，并成功进行了水下实验。
水下机器人分类
广义上的水下机器人，也可称作潜水器(Underwater Vehicles)，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。海洋中的风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境因素，对水下机器人的运动干扰严重，使得操作人员与水下机器人进行通信和定位十分困难。这是水下机器人与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。
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。从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年中，全世界共研制了20艘；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，到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90％以上直接或间接服务于海洋石油开采业；1988年，无人遥控潜水器又得到长足的发展，猛增至958艘，比1981年增加了110％。这个时期增加的潜水器，多为有缆遥控潜水器，大约有800艘左右，其中420余艘直接用于海上天然气开采。而无人无缆潜水器的发展相对慢些，只研制出26艘，其中工业用无人有缆遥控潜水器为8艘，其他均用于军事和科学研究。
军事及海洋工程的需求及电子、计算机、材料等高新技术的发展，也推动了70年代和80年代水下机器人研制的迅猛发展。出现了海底考察、实验、采样、打捞、救助、工程施工等多种用途的水下机器人，工作性能越来越好，工作水深也越来越深。
到2013年，全世界大约共建造了5756台各类水下机器人，其中作业级水下机器人914台、观察型水下机器人2656台、军事服务型水下机器人1733台、其余调查型水下机器人319台。
2 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（图5）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。
3 关键技术促水下机器人发展
水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通信、能源系统等六大技术。
由于水下机器人的工作区域为不可接近的海洋环境，环境的复杂性使得研究人员对水下机器人硬件与软件体系的研究和测试比较困难。因此在水下机器人的方案设计阶段，研究人员进行仿真技术研究的内容分为两部分。
其一，平台运动仿真。按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形，并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。一旦建立了运动数学模型、确定了边界条件后，就能用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应。如果根据技术指标评估出平台运动状态与预期存在差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,直至满足要求为止。
其二，控制硬、软件的仿真。控制硬、软件装入平台前，先在实验室内对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能，以降低在水中对控制系统调试和检测所产生的巨大风险。内容包密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。另外，上述所需的仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通信接口、仿真工作站等组成。
智能控制技术
智能控制技术，旨在提高水下机器人的自主性，其体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通信接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。
水下目标探测和识别技术
目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。
合成孔径声纳是用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等。
前视声纳组成的自主探测系统，是指前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下，自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。通过不断的试错，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库。特别是在目标图像像素点较少的情况下，较好地解决数个目标的分类和识别。系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。
三维成像声纳，用于水下目标的识别，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。
水下导航（定位）技术
用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等。由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成的推算系统。该系统无论从价格上、尺度上和精度上，都能满足水下机器人的使用要求，目前国内外都在加大力度研制。
通信技术
目前的通信方式主要有光纤通信、水声通信。
光纤通信由光端机（水面）﹑水下光端机﹑光缆组成。其优点是传输数据率高（100Mbit/s）且具有很好的抗干扰能力。缺点是限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人。
水声通信是水下机器人实现中远距离通信唯一的、也是比较理想的通信方式。实现水声通信最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难题。
能源系统技术
水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，对能源系统的要求是体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本。目前的能源系统主要包括热系统和电-化能源系统两类。
热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源，是现今一种比较实用的方法。
电-化能源系统是利用质子交换膜燃料电池来满足水下机器人的动力装置所需的性能。该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。但是该技术目前仍缺少合适的安静泵、气体管路布置、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储方法。随着燃料电池的不断发展，它有望成为水下机器人的主导性能源系统。
水下机器人一旦突破技术瓶颈，其进口替代空间广阔。但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的较大差距，致使国产水下机器人的实际应用受到限制。目前国内不同领域的很多客户，购买或租借国外现有产品，不仅价格高、配套服务难，而且有些产品并不适合中国海区的使用特点，产品机动性、抗流能力及作业能力都明显不足。
4 我国水下机器人发展关键期
国家海洋局《中国海洋发展报告（2013）》指出，中国海洋经济将由不成熟逐渐走向成熟，增长方式将从粗放型向集约型过渡，海洋资源利用效率将大幅度提高，海洋经济对国民经济的贡献率仍将逐步上升，到2020年，海洋生产总值占GDP比重将超过12%，到2030年，这一比重将超过15%。
截至2013年，中国海洋GDP为5.4万亿元，是2003年的5倍。
英国能源咨询机构道格拉斯威斯特伍德，在其《水下机器人投资市场预测》中预测2013~2017年，工作级水下机器人项目总投资额将达到97亿美元，较过去5年的投资额增长近80%。
目前水下机器人在油气业中的应用较普遍，而在渔业上还没有得到广泛应用。水下机器人在渔业上的应用，相比油气业有两大优势，首先，应用于渔业的机器人在海水中的作业深度浅。因此技术的难度将大大减少，操作也趋于简单；其次渔业作业更关心的是海水温度、含盐量等生态信息，对海底的地形作业要求难度也有所降低。因此，一般的小型水下机器人即可满足作业的要求。我国海洋渔业的总产值是海洋油气业的两倍多，空间巨大。
5 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。
向智能型发展
增加水下机器人行为的智能水平，一直是各国科学家的努力目标。但由于目前的人工智能技术还不能满足水下机器人智能水平增长的需要。因此，一方面，不能完全依赖于机器的智能，还需更多依赖传感器和人的智能，打造监控型水下机器人。另一方面，发展多机器人协同控制技术，也是未来自主水下机器人的重要发展方向。
（来源：赛迪机器人产业杂志、机器人圈公众号）
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