水下机器人-过去现在和未来

1、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一一地球。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

2、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

3、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

4、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12.5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23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。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。

5、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

6、进行遥控。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ROV“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 ROV的迅猛发展。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

7、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和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。图 5 CURV3 型 ROV20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

8、6为美国海军研制的AUV-AUSSoIE 6美国的AUSS3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

9、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

10、球上97%的海洋深度在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“CR-01”， 它主要用于太平洋洋底多金属结核的调查。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

11、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。功能更强大一一向作业型及智能化方向发展现阶段的AUV只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也 不高。将来的AUV将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。还要在AUV 上安装水下机械手，使AUV具有作业能力，这是一个长远的目标。(2) ROV广泛应用于水下作业中从1953年世界上出现第一艘遥控潜水器，在近五十年的时间里，ROV 从诞生到走向实用化。目前全世界ROV的数量超过1000台，是其他各类潜水器 总和的数十倍，这主要是由于ROV具有以下特点：通过与水面相联的电缆向无人遥控潜器提供能源，作业时间不受能 源的限制；操作者直接在水面控制和操作ROV，人的介入使得许多复杂的控制 问题变得简单；可以用于水下作业，这一点是现阶段AUV无法达到的。例如ROV与 载人潜器可以协同作业，完成对各种失事飞机、潜艇等的打捞任务。4结语联合国发表的21世纪议程中指出：“海洋是全球生命支持系统的 一个