水下机器人们如何探索海洋？

www.52ocean.cn);">

移动式观测平台

—水下机器人简介

水下机器人是一种可在水下移动、具有多种水下感知系统，并可以通过远程遥控或自主操作使用机械手或其它工具，代替或辅助人去完成某些水下作业的装置。

作为一类重要的海洋移动式观测平台，水下机器人至今已有60余年的发展历程。根据操纵与作业方式的不同，水下机器人主要可以分为无人遥控潜水器（ROV），自主式水下航行器（AUV），水下滑翔机（Glider）等几个大类。接下来让我们从历史、现状与未来展望的视角，来了解这些人类探索海洋的得力助手吧！

01

水下机器人的历史

1 ►ROV

早在20世纪50年代，人们就将摄像机密封送到海底进行拍摄，这便是ROV的雏形。20世纪60年代，美国研制了世界上第一台ROV“CURV1”。随着当时石油产业的发展、对近海油气勘探的需求上升，促进了ROV的迅速发展。70年代时，ROV产业已经形成，在海洋科学研究、近海区域油气资源勘探、海底矿物取样、打捞和军事等诸多方面都有广泛应用。美国的“CURV1”也不断改进出“CURV2”“CURV3”等功能更完备的后续型号。

国内的ROV发展自20世纪70年代末才起步。中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学合作研制了我国第一个ROV“海人一号”，其样机于1985年12月首航成功、1986年改进后完成海上实验，技术上已经达到20世纪80年代世界同类产品的水平，开辟了我国ROV的新领域。进入21世纪以来，我国由广州海洋地质调查局牵头，联合上海交通大学、浙江大学、哈尔滨工程大学和同济大学等单位研制的“海马”号ROV成功在中国南海北部陆坡西部海底完成了冷泉调查；由上海交通大学牵头研制的“海龙”号系列，自2003年立项以来，经过3代发展，在2018年成功挑战6000米级潜深；由中科院沈阳自动化研究所研制的“海星”号在2018年突破了6000米深度，填补了中国深海ROV在6000米级深度科考的空白。

2 ► AUV

第二次世界大战期间，为了满足监视对方舰船活动的军事需求，各国开始研制自备动力、无人驾驶的水下检测平台。受限于当时的技术水平，仅有美、德两国成功制造了搭载被动声纳与水下照相机的样机，其具有上浮时间固定、功能单一等缺陷。

20世纪50年代末，美国华盛顿大学开始建造第一艘无缆水下机器人“SPURV”，其主要应用于海洋水文要素调查。到60年代，随着储能、通信等技术的发展，在其基础上开始出现试验性的AUV。但当时的实验性AUV仍具有体积大、续航短、功能单一等问题。

进入到20世纪90年代，随着技术的发展，AUV逐渐走向实用化。

我国的AUV起步相对较晚。1986年，随着863计划的提出与落实，沈阳自动化研究所开始了“探索者”号AUV的研制工作。1994年，研制获得了成功，其工作深度可达1000米。我国自1992年6月起与俄罗斯科学院海洋技术研究所开展合作，以我方为主、开始研制6000米无缆自治水下机器人。1995年8月，我国与俄罗斯合作研发的6000米AUV“CR-01”研制成功。由此，我国成为了拥有潜深6000米AUV的少数国家之一，标志着我国的AUV技术达到了世界先进水平。此后，在21世纪初，我国研制了“潜龙一号”“潜龙二号”等AUV，两者分别在2013年5月、2016年1月完成首次勘探。

02

水下机器人的现状

1 ► AUV

进入21世纪，太阳能AUV开始逐步从研究走向应用。例如，SAUVⅡ用于长期监控、监视、定位、与岸基和水下仪器进行实时双向通信。机器人可预设下潜至500 m水深，可按指定路线航行，也可在合适的条件下上浮至水面利用太阳能充电。主要特征包括：续航时间长，可以数周或数月在海洋作业，夜间执行特定任务，白天充电。能维持定深、变曲线滑翔航行。为终端用户载荷传感器提供足够的空间、能源、界面及软件接口。传感器测量的参数包括水深、高度、速度、姿态角以及各种动力参数。如今，SAUVⅡ可提供大范围，远距离、长时问的海洋环境调查与监测，为当今全天候、长航时、高时空密度海洋观测需求提供了一种有力的工具。

2 ► Glider

目前的水下滑翔机，按驱动方式可将其分为三类：即浮力驱动型水下滑翔机、浮力与螺旋桨混合驱动型水下滑翔机和波浪驱动型水下滑翔机。

浮力驱动型水下滑翔机、传统水下滑翔机是依靠浮力变化作为驱动源，其作为一种新型的海洋环境水下观测平台，在国内外都受到了极大的关注，开展了大量的研究工作，并已经取得了一些研究成果。

浮力与螺旋桨混合驱动型水下滑翔机（Hybrid Driven Underwater Glider）是一种同时具有AUV和水下滑翔机特点的新型航行器，既可以水平航行，又可以沿锯齿形轨迹滑翔航行，既具有AUV的高机动性，又具有水下滑翔机优越的续航力。多重航行模式决定了其具有较强的海洋环境适应能力。

03

水下机器人的未来

随着科学技术的发展，人类探索海洋、认识海洋、经略海洋的实践得到推进，包括水下机器人在内的移动式观测平台成为了海洋调查活动中的得力工具，移动式观测平台的制造、创新和使用取得了一系列成果，移动式观测的方式有着广阔的发展前景，通过对已有移动式观测平台进行分析，可以总结出其未来发展趋势。

►►►

延长续航，降低能耗

► 当前移动式观测平台的使用过程中，由于仪器布放后脱离人工操作，其持续时间和航行区域受到电源供应的限制，能耗过大、电池容量不足、电量分配不均等问题会导致观测周期缩短、区域缩小等问题，不仅观测不充分，还会增加使用成本。所以，针对该问题，应当改进电池性能，提升能量使用效率，对能量使用合理分配，以及从外形和材料方面入手降低外界阻力。

►►►

降低生产使用成本

► 出于科研用途和商业用途考虑，会尽可能降低移动式观测平台生产和使用成本。在生产方面，应当适当提升材料性能，使用可再生能源，进行模块化生产，降低生产成本。其次应当考虑的是人力成本，对于使用周期短的测量设备，需要多次人工更换电池，提升电池性能等措施能够很好节省人力成本。

►►►

提升精度，实现连续观测

► 根据已有理论，改进搭载测量仪器性能，比如对于水下滑翔机搭载的CTD，可以提升其热敏电阻的灵敏度。为了实现海域内大范围持续连续观测，会出现多个观测设备协同工作，构建海域内网络化观测模式，提高海洋采样、成像、监视、通信等观测方面的能力，实现立体化观测，推进“数字海洋”、“透明海洋”工程的建设。

►►►

改进技术，保证传输

► 对于移动式观测平台在自主观测的过程中得到的数据，一方面可以自行存储，另一方面可以实时传输至地面，这就需要提升信息存储能力和传输能力。在存储方面，根据观测周期，应当适当调整信息存储容量，同时可以自主处理数据，节省存储空间。在传输方面，可以使用先进的数据传输技术，保证数据传输的质量和时效。

►►►

利用人工智能处理数据

► 如今人工智能技术空前发展，在未来也将大范围投入使用。在信息处理过程中，人工智能技术能快速准确识别观测图像，实时处理和传输数据，构建大容量知识库，大幅度提升数据处理能力和精密导航定位的随感能力等。通过使用人工智能技术，移动式观测平台能够实现真正的自主观测，让观测活动更加智能化。

►►►

多学科综合测量

► 在真正的海洋调查实践中，观测对象往往是复杂的，包含多个学科不同领域的要素，所以移动式观测设备更应该具有多学科要素综合测量的能力，进行多元化探测识别。对此，移动式观测平台将搭载多元化的测量设备，同时多种观测平台协同工作，实现多学科多领域的“网络化”观测。

www.52ocean.cn);">

水下机器人在实际观测活动中具有非常广阔的应用前景，无论是科研用途、预测用途还是商业用途，水下机器人都能发挥重要作用，相信随着关键技术的不断突破，水下机器人能够克服多种困难，适应更多的应用场景；相信随着海洋强国工程的不断推进，我国将自主研发出更多突破性成果，加快构建“数字海洋”、“透明海洋”，更好地认识海洋、开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋。

文案：温明彦 张楚萌 刘绵骞雪 王冠涵

图片、排版：晋泽超 陆长远

审核：晋泽超 陆长远

指导老师：刘子洲 孙永明