海洋无人机 -无人机海洋测量技术

王方 · 发表于海洋技术发展 2023-10-30 01:08:41

导读瑞典媒体近日公开了北溪管道水下爆炸处视频画面，称至少有50米管道消失，中间的断裂面还形成一处直径长达8米、金属完全扭曲的巨大裂缝。该视频画面是由水下无人机拍摄的。一时间，水下无人机借势成了热议话题。

什么是水下无人机

水下无人机从20世纪后半叶诞生，也叫水下机器人，是一种工作于水下的极限作业机器人。这些自身带着电池和摄像头的“水下无人机”，可以把它们理解成水下机器人，因其是全自动的机器；也可以把它们理解成“水下飞机”，因其可以借助水力以每秒几米速度滑翔前进。

广义的水下机器人也可以称作潜水器（Underwater Vehicles），是一种可以在水下代替人在充满未知和挑战的海洋环境中完成某种任务的装备。而通常我们说的水下机器人主要指无人潜水器，包括ROV、AUV两种。

有缆水下机器人ROV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、潜水器本体及安装在本体上的推进器、相机、摄像机、照明灯、深度传感器、作业设备）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和机械手、切割器、清洗器等作业设备。

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，中继器可减少电缆对本体运动的干扰。ROV需要人为的干预，也不存在续航、通讯的问题，通过电缆从母船获取动力、接受并双向传输信号。因而电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要。虽然线缆提供了足够的续航和相对容易的遥操控制，孤悬海中成为 ROV最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率、作业种类，基于此自主水下机器人应运而生。

自主水下机器人(AUV)，也称无缆水下机器人，一般是自治式机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的前提下，自主决策、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。由于没有母船供电而是依靠自身携带电源模块供电，续航有限，水下无缆机器人一般依靠水声通讯，存在时延现象，实时控制难度大。

另一方面，AUV是自主导航，依靠各类传感器识别陌生环境、建立环境模型，自主决策避障，到达指定点完成任务。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，仅下达总任务，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。机器人就能识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。

总之，ROV由水面工作人员实时观测水下并远程遥控操作，智能化程度低，且有线缆限制、活动空间有限；AUV活动范围大，但续航、通讯、智能控制均构成巨大挑战。

水下无人机的优势

1、避免了人下水带来的不安全影响。水下环境恶劣危险，潜水员到达水下二三十米就是极限，所以水下无人机已成为开发海洋的重要工具。

2、加深了下潜深度。大深度潜水会给人带来减压病等负面影响，所以采用水下机器人可以轻松执行水下百米深的探测。

3、延长探潜时长。受气瓶容量大小、潜水体力消耗等因素限制，一般潜水员下水时长仅半个小时到一个小时。

六大技术

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，主要包括通讯、智能控制、能源系统、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、仿真等六大技术；水下通讯、智能控制、续航动力是核心主要的技术。

通讯技术。大多数水下信号是用超声波来传送的，因为超声波比电磁波能传播更长的水下距离。但即使这样，水对超声波的吸收，也导致超声波信号很容易失真。目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。光纤通讯由水面光端机、水下光端机、光缆组成。其优点是数据率高达100Mbit/s，抗干扰能力很好，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。对于需要中远距离通讯的水下机器人，水声通讯是唯一的理想方式。水声通讯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，面临多项技术难关。

智能控制技术。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，旨在提高水下机器人的自主性。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、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。方法有模糊控制、神经网络控制、专家控制、自适应控制。有必要时应对两种或多种方法加以结合，以达到理想的控制效果。续航动力技术。水下机器人、特别是自主航行水下机器人对能源的要求是体积小、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当下比较实用的方法。

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能源系统。其特点是能量密度大、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、气体管路布臵、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储手段。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。

仿真技术。由于水下机器人的工作区域是不可接近的海洋环境，其复杂性决定了真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。故在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分：（1）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。一旦建立运动数学模型、确定边界条件后，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。

如果评估出的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。（2）控制硬、软件的仿真。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。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，来降低在水中对控制系统调试和检测所产生的巨大风险。

水下目标探测和识别技术。目前水下目标探测与识别的设备有合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等。

合成孔径声纳是用时间换空间的方法、以小孔径基阵的移动来获取移动方向上大的合成孔径从而得到方位方向的高分辨力，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。

前视声纳的探测波形选定后，先经过预波束处理，生成相控发射信号，再经功率放大后加载到发射换能器上，将电信转成信号发射出去；探测信号经水声信道传播，遇障碍物后形成回波至接收器，多个原始回波经处理得到声纳图像。其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。由于风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位都十分困难。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。

发展历程与现状

从1934年美国研制出下潜934米的载人潜水器到1953年研制出无人有缆遥控潜水器，接着是全世界各国对水下机器人的大力发展，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、观察型机器人2656台、AUV134台、军事服务型1733台、其余调查型机器人319台。

总结起来，水下机器人发展大致经历了三个阶段:

第一阶段：从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作，先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海域成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。美国海军1956年研制出的CURV1号机器人在服役期间曾执行数百次使命，其中包括从海底回收100多枚鱼雷。

第二阶段：1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。由于海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，使潜水器的数量和种类都有显著地增长。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、救捞等方面均发挥了较大的作用。

第三阶段：1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。

我国的水下机器人研究是从立足军事需求起步的，起步较晚，从七十年代末才开始研究。上世纪70年代末起，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 的研究与开发工作，合作研制了我国第一个 ROV“海人一号”，这是我国独立自主研发的第一台大型水下机器人。上世纪80年代以来，中国“海人”1 号（HR-1）成功地进行水下实验。特别是 6000m 深水下机器人的问世，表明我国在此领域已经取得了一定成绩。

水下无人机能潜入水中代替人完成某些操作，主要运用在海上救援、水中勘探考察等。如今水下无人机日益成为开发海洋的重要工具。由于水下无人机在关键技术上不断取得新的进步，拍摄能力、下潜能力以及续航能力都持续增强，除了水下摄影直播、探险、潜水娱乐、青少年海洋体验教学、可视化钓鱼等消费需求之外，陌生水域潜点探测、水下勘察、海洋生物研究和环境保护、水产养殖、水下搜救、水下科研考古、海底勘测等众多企业场景实现了愈加广泛的应用，水下相关领域大部分都有水下无人机的身影。

比如，水下无人机在船舶检修、渔业养殖等方面发挥了重要作用。传统上大型货轮、客轮、渔船的船底外部检查必不可少，传统的船体检测，是由潜水员入水，用肉眼辨别船底破损情况。这样成本高昂，而且还易受外部环境因素影响。而使用水下机器人，能快速检测，精准定位破损点，提高效率。同理，在渔业养殖方面，由于海水养殖产业受高温、风灾等自然灾害影响大，抵御风险能力弱，原本依靠人力来完成水质检查、鱼群监测、网箱布放与修理等，许多暴露的场所与操作方法并不方便。如今，水下无人机的应用能够很好地解决这两个领域所面临的难题，既能降低成本、又能省时省力、提升效率。

水下勘探。在某些海域，存在古城和沉船，具体情况不得而知。但使用水下无人机去探测百米深海下的世界，至少能了解到一些情况，获得一些信息，为今后的水下考古工作铺垫。

水下救援。国内外有很多救援队对此有需求，使用水下无人机先行探测，能帮助救援队提升救援速度。

再如休闲垂钓。对于喜欢休闲垂钓的人群来说，通过水下机器人可以快速寻找到鱼群聚集的水域，对鱼群分布、大小、深度等鱼情以及水温、水深和水底地形地貌信息了如指掌，真正实现可视化钓鱼。水下机器人帮助可视化钓鱼。

潜水运动。现在越来越多的人喜欢海上旅行，潜水运动也越来越受欢迎。水下机器人成为潜水员可靠的水下伴侣，能够提前识别水域安全、判断水质水温、侦查陌生水域，为潜水体验提供安全保障。另外水下跟拍也能解放潜水员双手，让人们在水中自在畅游。

潜水娱乐。一直以来奇幻的海底世界是我们很多人难以亲临其境。水下机器人的水下拍摄功能使人们不用下水就能实时观看到海底画面，戴上VR设备更是身临其境，游玩体验更加尽兴。

前景展望

水下无人机的诞生同样归功于现代军事发展的需要，如今也都已经扩展到了民用领域，代替人们完成水下打捞、勘探、测绘等不少以前需要人工来完成的工作，并大大降低了工作风险性，极大推动了社会科技和经济进步。

本世纪初以来，美国就十分重视水下无人系统的研制开发，并且卓有成效。如“蝠鲼”无人机，项目始于2020年，目标是研制出不需要维护和后勤支持的长航时、远距离的水下无人机航行器验证机。它具有非常高的军事价值，所涉及的领域涵盖情报收集、侦察监视、作战打击和后勤支援等。和空中的无人机一样，它能代替载人平台执行“枯燥、恶劣和危险环境下”的任务，可以极大地扩展海军作战能力。

其实，水下机器人市场，是一片容量巨大、潜力巨大的优质市场。据业内专家分析，到2020年，我国参加潜水的游客数量增长至600万人次，平均每10人用一台无人潜器，则共有60万台无人潜器，按照1万元/台计算，到2025年，国内水下无人机市场规模有望突破800亿元。

从重量级上分为工作级和监测级。主要设计标准有ISO13628-8，以及IEC的电气方面的标准。民用标准如海洋工程中工作级ROV，主要是辅助安装、维修、维护；监测级的ROV，主要是用于监测下放、安装，以及巡检，海洋环境数据的采集等。多数厂家可以按照定制要求进行设计、制造和生产，而且专业化技术很高。比如中船重工就可以专业定制水下狭小通道的、0重力的ROV。

而英国Douglas-Westwood公司对于世界ROV市场调研报告显示，世界水下硬件产业市场规模已达1350亿美金。2013-2017年，水下机器人市场总投资额约为97亿美金，较过去5年投资额增长了约80%。海洋占据了地球71%面积，是生命之源，与生态环境、气候息息相关，其重要性不言而喻。海洋中蕴藏着无限的资源与美好，在陆地资源逐渐枯竭的今天，海洋资源亟待挖掘。目前被探索的海洋占比仅有5%。还有大量的空间需要人类去认识去探索。

水下无人机/机器人是探索海洋和水下世界的关键技术，是人类探索海洋的先锋。市场潜力十分庞大。但就目前而言，还没有被充分开发，消费人群基数较大。目前水下无人机市场的玩家并不多，真正有产品进入市场的更是屈指可数，巨头还没有出现，整个市场正处于起步阶段，可谓是一片“蓝海”。

业内专家指出，整个水下机器人市场总量非常可观，大致可分为消费级市场和企业级市场，尤其是在企业级市场，许多高危、复杂、以及人力无法操作的水下工作将逐渐被水下机器人所取代。而资本市场的关注和加持，也会为水下无人机玩家的壮大以及产品的迭代带来更多的机会。随着各国对海洋经济发展重视程度不断提升，水下无人机的发展将进一步获得更大利好。

相信人类的智慧，必将攻克并完全彻底地占领海洋这备受关注的最后一域征战之地。

（文/张庆）

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