[科普中国]-水下机器人

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。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。

无人遥控潜水器主要有：有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。

发展历程从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系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。1

1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。

无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。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，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、救捞等方面发挥了较大的作用。

1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人，成功地进行水下实验。21988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110%。3这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。另外，载人和无人混合理潜水器在这个时期也得到发展，已经研制出32艘，其中 28艘 用于工业服务。

1980年法国国家海洋开发中心建造了“逆戟鲸”号无人无缆潜水器，最大潜深为6000米。“逆朗鲸”号潜水器先后进行过130多次深潜作业，完成了太平洋海底锰结核调查海底峡谷调查、太平洋和地中海海底电缆事故调查、洋中脊调查等重大课题任务。1987年，法国国家海弹开发中心又与一家公司合作，共同建造“埃里特”声学遥控潜水器。用于水下钻井机检查、海底油机设备安装、油管辅设、锚缆加固等复杂作业。这种声学遥控潜水器的智能程度要比“逆戟鲸”号高许多。4

1987年，日本海事科学技术中心研究成功深海无人遥控潜水器“海鲀3K”号，可下潜3300米。研制“海鲀3K”号的目的，是为了在载人潜水之前对预定潜水点进行调查而设计的，供专门从事深海研究的，同时，也可利用“海鲀3K”号进行海底救护。“海鲀3K”号属于有缆式潜水器，在设计上有前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置，基本能满足深海采集样品的需要。1988年，该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要，建造了万米级无人遥控潜水器。这种潜水器由工作母船进行控制操作，可以较长时间进行深海调查。这种潜水器可望在1992年内建成，总投资为40亿日元。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视，不仅有研究项目，而且还有较大型的长远计划。

1988年，美国国防部的国防高级研究计划局与一家研究机构合作，投资2360万美元研制两艘无人无缆潜水器。

1990年，无人无缆潜水器研制成功，定名为“UUV”号。这种潜水器重量为6.8吨，性能特别好，最大航速10节，能在44秒内由0加速到10节，当航速大于3节时，航行深度控制在土1米，导航精度约0.2节/小时，潜水器动力采用银锌电池。这些技术条件有助于高水平的深海研究。另外，美国和加拿大合作将研制出能穿过北极冰层的无人无缆潜水器。

中国水下机器人2009年首次在北冰洋海域冰下调查。“大洋一号”科学考察船第21航次就在开始不久的第三航段考察中，“大洋一号”首次使用水下机器人“海龙2号”在东太平洋海隆“鸟巢”黑烟囱区观察到罕见的巨大黑烟囱，并用机械手准确抓获约7千克黑烟囱喷口的硫化物样品。这一发现标志着中国成为国际上少数能使用水下机器人开展洋中脊热液调查和取样研究的国家之一。依靠“大洋一号”船的精确动力定位，中国自主研制的水下机器人“海龙2号”准确降落抵达“鸟巢”黑烟囱区海底，并展开了摄像观察、热液环境参数测量。5

2012年10月，中国首款“功能模块”理念智能水下机器人问世。哈尔滨工程大学船舶工程学院5人团队，在指导教师张铁栋带领下，依托水下机器人国防重点实验室，历时一年自主设计出国内首款“多功能智能水下机器人”，首次将“功能模块”理念应用于水下机器人领域。该款机器人可根据需要选择不同模块随时“换芯”、随时变身，可应对各种复杂水下作业。

这款机器人获得首届“全国海洋航行器设计与制作大赛”实物制作类特等奖。该项目中自主研发应用的永磁式平面磁传动推进器、永磁式平面磁传动机械手、改装水密接插件均属国内首创，具有重要的推广价值。67

2012年日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业，完全取代由潜水人员去完成的危险水下作业。

在无人有缆潜水技术方面，始终保持了明显的超前发展的优势。根据欧洲尤里卡计划，英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良，能在6000米水深持续工作250小时，比正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良的多。按照尤里卡EU-191计划还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国；意大利、丹麦等国家的l7个机构参加。英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点，它是采用计算机控制，并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机，分别用于处理海底照相机获得的资料，处理监控海弹环境变化的资料，处理海面环境变化的资料，处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料。经过整理，通过微波发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室，并贮存在资料库里。

2015年3月19日，中国自主建造的首艘深水多功能工程船——海洋石油286进行深水设备测试，首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深海底，这是国内首次用水下机器人将五星红旗插入近3000米水深的南海。8

结构功能典型的遥控潜水器是由水面设备（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（包括中继器和潜水器本体）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（摄像机、照相机、照明灯等）和作业设备（机械手、切割器、清洗器等）。910

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。靠电缆向本体提供动力和交换信息。中继器可减少电缆对本体运动的干扰。新型潜水器从简单的遥控式向监控式发展，即由母舰计算机和潜水器本体计算机实行递阶控制，它能对观测信息进行加工，建立环境和内部状态模型。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下达命令，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。开始研制智能水下机器人系统。操作人员仅下达总任务，机器人就能根据识别和分析环境，自动规划行动、回避障碍、自主地完成指定任务。10

无人有缆潜水器的发展趋势有以下优点：一是水深普遍在6000米；二是操纵控制系统多采用大容量计算机，实施处理资料和进行数字控制；三是潜水器上的机械手采用多功能力反馈监控系统：四是增加推进器的数量与功率，以提高其顶流作业的能力和操纵性能。此外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。

应用领域安全搜救1、可用于检查大坝、桥墩上是否安装爆炸物以及结构好坏情况；

2、遥控侦察、危险品靠近检查；

3、水下基阵协助安装/拆卸；

4、船侧、船底走私物品检测(公安、海关)；

5、水下目标观察，废墟、坍塌矿井搜救等；

6、搜寻水下证据(公安、海关)；

7、海上救助打捞、近海搜索；11

2011年水下机器人最深能在6000米的海底世界，以每小时3至6公里的速度行走，前视、下视雷达给了它“好视力”，随身携带的照相机、摄像机和精确导航系统等，让它 “过目不忘”。2011年伍兹霍尔海洋研究所提供的水下机器人在4000平方公里的海域中仅仅花了几天时间便找到了法航航班的残骸，而此前各种船只飞机寻找两年无果。

MH370失联客机截至2014年4月7日尚未找到，澳大利亚海事安全局联合协调中心召开发布会，搜救行动处境微妙，需要不断精确搜寻位置，不会放弃希望，搜索区域最深将达到5000米，将使用水下机器人搜寻黑匣子信号。12

管道检查1、可用于市政饮用水系统中水罐、水管、水库检查；

2、排污/排涝管道、下水道检查；

3、洋输油管道检查；

4、跨江、跨河管道检查；13

船舶河道海洋石油1、船体检修；水下锚、推进器、船底探查；

2、码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查；

3、航道排障、港口作业；

4、钻井平台水下结构检修、海洋石油工程；

科研教学1、水环境、水下生物的观测、研究和教学；

2、海洋考察；

3、冰下观察；

水下娱乐1、水下电视拍摄、水下摄影；

2、潜水、划船、游艇；

3、看护潜水员，潜水前合适地点的选择；

能源产业1、核电站反应器检查、管道检查、异物探测和取出；

2、水电站船闸检修；

3、水电大坝、水库堤坝检修(排沙洞口、拦污栅、泄水道检修)；

考古水下考古、水下沉船考察。

渔业深水网箱渔业养殖，人工渔礁调查。

无人无缆潜水器尚处于研究、试用阶段，还有一些关键技术问题需要解决。无人无缆潜水器将向远程化、智能化发展，其活动范围在250～5000公里的半径内。这就要求这种无人无缆潜水器有能保证长时间工作的动力源。在控制和信息处理系统中，采用图像识别、人工智能技术、大容量的知识库系统，以及提高信息处理能力和精密的导航定位的随感能力等。如果这些问题都能解决了，那么无人无缆潜水器就能是名副其实的海洋智能机器人。海洋智能机器人的出现与广泛使用，为人类进入海洋从事各种海洋产业活动提供了技术保证。

优缺点优点水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，机械臂能抓起重物，水下机器人在石油开发、海事执法取证、科学研究和军事等领域得到广泛应用。14

缺点由于水下机器人运行的环境复杂，水声信号的噪声大，而各种水声传感器普遍存在精度较差、跳变频繁的缺点，因此水下机器人运动控制系统中，滤波技术显得极为重要。水下机器人运动控制中普遍采用的位置传感器为短基线或长基线水声定位系统，速度传感器为多普勒速度计会影响水声定位系统精度。因素主要包括声速误差、应答器响应时间的丈量误差、应答器位置即间距的校正误差。而影响多普勒速度计精度的因素主要包括声速c、海水中的介质物理化学特性、运载器的颠簸等。

本词条内容贡献者为:

赵阳国 - 副教授 - 中国海洋大学