深度解析：国内水下机器人现状及未来发展方向 - 深海机械臂技术

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，又称潜水器。水下机器人主要运用在海上救援，水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。在军事斗争中，随着无人地面战车、无人飞机和无人舰艇等逐渐在战场上显示出越来越高的作战效能, 无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用。

, A$ [; H$ [* V' r( a

除此之外，水下机器人在石油开发、地貌勘察、科研、水产养殖、水下船体检修清洁、潜水娱乐、城市管道检测等领域的作用开始显现出来，市场也正在兴起。

W& V ^: ^$ a! p" n

3 K) w9 U. G+ \1 D/ P

水下机器人的种类

1 u: c( w9 y9 P/ b; J

水下机器人是一种具有智能功能的水下潜器，国内外专家学者根据其智能化程度和使用需求，将水下机器人分为四类：即拖曳式水下机器人TUV、遥控式水下机器人ROV、无人无缆水下机器人UUV和智能水下机器人AUV。前两种水下机器人均带缆，由母船上人工控制；后两种水下机器均无人无缆，自主航行，分别由预编程控制和智能式控制。

: T4 O4 W& r9 o: z

: D" W- u2 G0 Y/ Y7 h

; y3 j. G# b4 v- V9 V, l9 p

水下机器人关键技术

1、总体技术

* m0 ?8 Z7 N U

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，各学科之间彼此互相牵制，单纯地追求单项技术指标，就会顾此失彼。解决这些矛盾除有很强的系统概念外，还需加强协调。在满足总体技术要求的前提下，各单项技术指标的确定要相互兼顾。

为适应较大范围的航行，从流体动力学角度来看，水下机器人的外形采用低阻的流线型体。结构尽可能采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料

5 x8 _ \/ u8 [

2、仿真技术

/ C1 e$ _6 p/ P* ^; h

水下机器人工作在复杂的海洋环境中，由智能控制完成任务。由于工作区域的不可接近性，使得对真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容主要分为平台运动仿真和控制硬软件仿真两部分。

1 R4 s" {7 H$ o0 f

3、智能控制技术

智能控制技术是提高水下机器人的自主性，在复杂的海洋环境中完成各种任务，因此研究水下机器人控制系统的软件体系、硬件体系和控制技术十分重要。

! }; n* Q2 b1 C" R

智能控制技术的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、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。体系结构的目标与水下机器人的研究任务应是一致的，也是提高智能水平（自主性和适应性）的关键技术之一。不断改进和完善体系结构，加强对未来的预报预测能力，使系统更具有前瞻性和自主学习能力。

. I2 @& v, C% n$ Z8 U

4、水下目标探测与识别技术

, j1 R" c, c# R: I4 d6 P+ P

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。

2 O$ Y P: ?* m0 l

5、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，国内外都在加大力度研制。

7 b! ^& D' J+ T; j0 l* s; L

6、通讯技术

为了有效的监测、传输数据﹑协调和回收等，水下机器人需要通讯。目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。

" B. \1 b$ m$ X+ v! u

7、能源系统技术

' n5 y$ S% s8 q

水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人，需要具有体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本的能源系统。

* }; p: C6 h8 x

水下机器人应用前景

- K9 ^* B* M& F$ o0 P. G

水下机器人已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古、电站及水坝大坝检测等各项工作。目前市场对水下机器人的需求分观察探测型和作业型两种。观察型配备有水下电视和照相设备，针对水下特定目标进行定期观察和检查;作业型可针对不同的要求，还配备前视声呐、侧扫声呐、海底绘图、海底剖面等设备和各种机械手等，进行简单的水下作业。

2 @& c# e* L: x. R9 A7 |$ J8 W

1、海洋资源的研究和开发

. \" _4 X0 U" U5 V+ s

占地球表面积71%的海洋是是一个富饶而远未得到开发的资源宝库，也是兵戎相见的战场。21 世纪，人类面临人口膨胀和生存空间、陆地资源枯竭和社会生产增长、生态环境恶化和人类发展的三大矛盾挑战，要维持自身的生存、繁衍和发展，就必须充分利用海洋资源，这是无可回避的抉择。对人均资源匮乏的我国来说，海洋开发更具有特殊意义。因此，水下机器人将在海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究中发挥重要作用。

8 Z2 i8 Y7 E1 {- c! o$ w: O

2、未来战争中的作用

* w6 ?' m! x. h; K8 V' N* s

零伤亡是未来战争中的选择，因而使得无人武器系统在未来战争中的地位倍受重视，其潜在的作战效能越来越明显。作为无人武器系统重要组成部分的水下机器人能够以水面舰船或潜艇为基地，在数十或数百里的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯，将大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间。

尤其是自主航行的水下机器人，它们能够更安全地进入敌方控制的危险区域，能够以自主方式在战区停留较长的时间，是一种效果明显的兵力倍增器。

更重要的是，在未来的战争中，“以网络为中心”的作战思想将代替“以平台为中心”的作战思想，水下机器人将成为网络中心站的重要节点，在战争中发挥越来越重要的作用。

- v- K2 P3 k/ i0 D+ |1 O4 Q) m

目前各国重点研究的应用包括：水雷对抗、反潜战、情报收集、监视与侦察、目标探测和环境数据收集等。

; Z& }! l& r2 ]$ d

水下机器人的发展趋势

$ d& h& T. o5 [0 q

1、向远程发展

" D) N4 r: x/ t1 @% m( ~9 q

阻碍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。开发利用太阳能的自主水下机器人是引人注目的新进展，太阳能自主水下机器人需要浮到水面给机载能源系统再充电。并且这种可利用的能源又是无限的。

2、向深海发展

/ I7 Z1 @' F6 {

6000米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6000水深技术作为一个目标。美国、日本、俄罗斯等国都先后研制了6000米级的UUV。美国伍兹霍尔海洋研究所研制成一种深海探测潜器“ABE”，可在水深6000米的海底停留一年。日本于1993年研制成工作水深为11000米的深海无人潜器“海沟号”。

3、向智能型发展

1 Y; J! E/ S, w

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。但是由于目前的人工智能技术不能满足水下机器人智能增长的需要，因此需要将人的智力引入到水下机器人中来，这就是监控型水下机器人的思想。不完全依赖于机器的智能，更多地依赖传感器和人的智能，是今后的一个重要发展方向，并且把这种机器人称势基于传感器的先进水下机器人。发展多机器人协同控制技术，也是增加自主水下机器人智能的重要方面。

5 \8 n+ l& C. i% S" f. a, Q6 f0 l1 j

结语

目前，水下机器人的研究已经取得了较大进步，正在逐步形成产业，应用范围已日趋广泛，在总体控制、智能化传感器、综合定位与导航机水下通讯等关键技术进一步成熟与发展后，水下机器人将更加智能、可靠与实用，在军事及海洋各个领域将有更加广阔的应用前景。

" R( T! a2 ` B l

毫无疑问，在海洋开发和末来战争中，水下机器人起着举足轻重的作用。目前国内的水下机器人(主要是AUV、UUV)还处于研制试验阶段，很多关键技术还没有突破，离实际使用尚有一段距离。因此要抓住时机，开拓创新，争取在水下机器人这一领域拥有更多的自主技术。

1 O# E, I( o8 |, U) G6 ? ! P2 P2 o* A6 k0 ` & W8 z' l7 {: g4 x; w3 Y! m