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征服未知海底的利器——智能水下機器人

2017-06-29 15:23:05 作者：王元來源：《腐蝕防護之友》分享至：

像衛星探索宇宙空間一樣，水下機器人是人類的眼睛和手臂在海底的延伸。下面小編將帶您認識深水油氣開發的利器——水下機器人。

中國在水下機器人研究方面起步雖晚，但通過不懈努力取得了巨大技術成果。2014 年我國自主研制的 6000 米 AUV（無纜水下機器人）“潛龍一號”在東北太平洋多金屬結核合同區成功下潛作業、“蛟龍號”下水、“北極 ARV”助力科考，都彰顯了我國在水下機器人領域的研發決心和科研技術成果。

未來 10 年將是中國水下機器人發展的關鍵期。與水下機器人最相關的三個行業是海洋油氣業、海洋漁業以及海洋礦業。

一、水下機器人向深海進發

水下機器人是工作于水下的極限作業機器人，能潛入水中代替人完成某些操作，又稱無人遙控潛水器。由于水下環境惡劣危險，人的潛水深度有限，所以水下機器人日益成為開發海洋的重要工具。

水下機器人分類

廣義上的水下機器人，也可稱作潛水器（UnderwaterVehicles），是一種可在水下代替人，在充滿未知的海洋環境中完成某種任務的裝置。

就外形看，目前大部分水下機器人是框架式或類似于潛艇的回轉細長體。隨著仿生技術的不斷發展，仿魚類形態和運動方式的水下機器人，將會不斷發展。

根據是否載人，可將潛水器分為載人潛水器和無人潛水器。無人潛水器按照與水面支持系統間聯系方式的不同，可以分為有纜遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，簡稱ROV）、無纜水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，簡稱 AUV））兩種。有纜水下機器人都是遙控式的，根據運動方式不同可分為拖曳式、（海底）移動式和浮游（自航）式三種。

無纜水下機器人一般是自治式機器人（又稱智能機器人），它能夠依靠本身的自主決策和控制能力，高效率地完成預定任務，在一定程度上代表了目前水下機器人的發展趨勢。

載人潛水器是由人工輸入信號操控各種動作，由潛水員和科學家通過觀察窗直接觀察外部環境。其優點是由人工親自做出各種核心決策，便于處理各種復雜問題，但是人員面臨的危險性大。由于載人潛水器需要足夠的耐壓空間、可靠的生命安全保障和生命維持系統，使得潛水器體積龐大、系統復雜、造價高昂、工作環境受限。

有纜水下機器人（ROV）需要由電纜從母船接受動力，且不需要人為干預。其主要由水面設備（包括操縱控制臺、電纜絞車、吊放設備、供電系統等）和水下設備（包括中繼器和潛水器本體）組成。潛水器本體在水下靠推進器運動，本體上裝有觀測設備（攝像機、照相機、照明燈等）和作業設備（機械手、切割器、清洗器等）。潛水器的水下運動和作業，是由操作員在水面母艦上控制和監視，電纜向本體提供動力和交換信息，中繼器可減少電纜對本體運動的干擾。人們通過電纜對 ROV 進行遙控操作，電纜如同“臍帶”一樣，對 ROV 至關重要。但細長的電纜懸在海中，也成為 ROV 最脆弱部分，大大地限制了機器人的活動范圍和工作效率。

無纜水下機器人（AUV）又稱自治水下機器人、智能水下機器人，是將人工智能、探測識別、信息融合、智能控制、系統集成等多方面技術，集中應用于同一水下載體上，在沒有人工實時控制的情況下，自主決策、控制完成在復雜的海洋環境中的預定任務的機器人。是從簡單的遙控式向監控式發展，即由母艦計算機和潛水器本體計算機實行遞階控制，它能對觀測信息進行加工，建立環境和內部狀態模型。操作人員通過人機交互系統，以面向過程的抽象符號或語言下達命令，并接受經計算機加工處理的信息，對潛水器的運行和動作過程進行監視并排除故障。操作人員僅下達總任務，機器人就能根據識別和分析環境，自動規劃行動、回避障礙、自主地完成指定任務。受益于近海油氣開發，我國無人有纜遙控潛水器急速放量。

二、我國水下機器人不懈努力跨越鴻溝

我國對水下機器人的研究與開發起步較晚，從七十年代末才開始研究，相比歐美和日本，我國一直處于落后水平。

我國的水下機器人研究，是從立足軍事需求起步的。七十年代末期，中國科學院沈陽自動化研究所和上海交通大學開始從事ROV的研究與開發，合作研制了我國第一個 “海人一號” ROV，“海人一號”是我國獨立自主研發的第一臺大型水下機器人。

目前 , 我國軍用水下機器人已經形成系列，特別是 6000m 深水機器人的問世，表明我國在此領域已經取得了一定成績。

CR-01型無纜自治水下機器人

CR-01 型無纜自治水下機器人是我國于 1992 年 6 月與俄羅斯科學院海洋技術研究所合作，于 1995 年 8 月研制成功的。其體長 4.37m，寬 0.8m，它在空氣中的重量為 1305.15kg，它的最大潛深 6000m，最大水下航速 2 節，續航能力 10h，定位精度為10m ～ 15m，它可在 6000m 水下進行攝像、拍照、測量海底地勢與剖面、海底沉物目標搜索和觀察、水文物理測量和海底多金屬結核豐度測量，并能自動記錄各種數據及其相應的坐標位置。

“潛龍一號”AUV

2014 年 8 月 31 日，我國自主研制的 6000mAUV“潛龍一號”

在東北太平洋多金屬結核合同區成功下潛作業，順利完成了綜合性能測試。“潛龍一號”長 4.6m、直徑 0.8m、重量為1500kg，最大工作水深 6000m，巡航速度 2 節，最大續航能力24h，配有淺地層剖面儀等探測設備，可完成海底微地形地貌精細探測、地質判斷、海底水文參數測量和海底多金屬結核豐度測定等任務。

“蛟龍”號載人潛水器

2014 年 7 月，我國“蛟龍”號載人潛水器下潛作業，并對搭載的微型無人潛水器“龍珠”號進行試驗。“龍珠”號重量僅有 40kg，配有 3 部電動推進器，通過一根光纖與“蛟龍”號相連，由“蛟龍”號球艙內的潛航員遙控控制，且自帶攝像機，可進行水下觀察和錄像，與“蛟龍”號互補形成更全面的觀測能力。在水下工作期間，“龍珠”號與“蛟龍”號按照預先規劃的協同作業流程“分工協作”、“默契配合”，完成了相互之間互動拍攝和“龍珠”號的釋放與回收等預定的工作任務，形成了兩種不同類型的潛水器在水下協同作業的新模式。

“北極ARV”水下機器人

“北極 ARV”水下機器人能夠在高緯度下實現對冰下海冰物理特征、水文和光學特性等的自主精確同步觀測，為我國北極科考提供了一種大范圍的先進、連續、實時的冰下觀測技術手段。新一代北極 ARV 通過水下機器人攜帶光通量測量儀，可連續測量出海冰吸收的太陽輻射能的空間變化，估算出同緯度更大范圍海冰對太陽輻射能的吸收，以此計算出太陽輻射對該緯度北極海冰融化的貢獻。

三、水下機器人將何去何從

向遠程發展

太陽能自主水下機器人能解決遠程續航問題。智能水下機器人向遠程發展的技術障礙有三個：能源、遠程導航和實時通信。目前正在研究的各種可利用的能源系統，包括一次電池、二次電池、燃料電池、熱機及核能源。太陽能自主水下機器人需要浮到水面給機載能源系統充電，而這種可利用的能源又是無限的。

向深海發展

發展優化 6000m 水深技術，成為許多國家的目標。海洋資源大多存儲于深海，6000m 以上水深的海洋面積，占海洋總面積的97％。因此，許多國家把發展6000m水深技術作為目標，美國、日本、俄羅斯等國，都先后研制了 6000m 級的無人潛航器。美國伍茲霍爾海洋研究所研制的深海探測器“ABE”，可在水深 6000m 的海底停留一年；日本 1993 年研制了工作水深為 11000m 的深海無人潛水器“海溝號”；中國的“潛龍一號”也具備了 6000m 深度的作業能力。