我國自主/遙控水下機器人研究現狀★

王福利， 任寶祥

（1.中國科學院沈陽自動化研究所， 遼寧 沈陽 110000；2.廣東智能無人系統研究院， 廣東 廣州 511458）

0 引言

人類對海洋奧秘的探索從未停止。水下機器人作為探索海洋的重要載體，在科研、軍事等領域廣泛應用。水下機器人（Under Water Vehicle）是一種用于水下工作環境的作業機器人，將其用于水中代替潛水員完成某些操作和作業任務，又稱潛水器。水下機器人根據機器人本體中是否載人，分為載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV），其中無人潛水器根據遙控方式的不同（是否需要通信電纜進行控制），又可分為無人有纜機器人和無人無纜機器人，即遙控水下機器人（ROV）和自主水下機器人（AUV），兩者各有優勢，相互補充，都是海洋裝備的重要組成部分[1-2]。ROV 通過電纜傳遞信號和能源，操作者通過長距離電纜在水面遙控平臺內遙控機器人，其優點是可在海底小范圍作用區域進行精細觀測、海底取樣等作業，缺點是由于遙控（操作）電纜長度有限，導致ROV 航行范圍是受限的；AUV 作業時無須攜帶電纜，能源安裝在水下機器人內，機器人按照任務要求，預置控制程序完成規定任務，其優點是可自主航行進行大范圍探測，缺點是由于機器人本體攜帶能源有限，航行時間也是有限的。

自主/遙控水下機器人（ARV）是近年來研發出的新型混合式水下機器人，其融合了ROV 和AUV 的優點[3]，具有水下定點作業和大范圍探測的雙向功能，提升了水下機器人的作業能力，擴大了作業范圍，使那些較為復雜的海底作業和觀測成為可能。與AUV 相比，ARV 可以攜帶機械手、采水器等部件，增加了潛水器的作業能力；而與ROV 相比，ARV 擺脫了光纜的束縛，把作業范圍提升到幾公里甚至幾十公里。由于當前我國的水下機器人還無法完成較高的自主作業、識別、判斷等智能化作業，研究ARV 這種混合式水下機器人，可以增加人類對海底探索的方式，使人類探索海洋的活動得到更好的延伸，具有更廣泛地應用前景。

1 自主/遙控水下機器人（ARV）的主要特點

自主/遙控水下機器人（ARV）作為一種混合型潛水器，兼有AUV 和ROV 的雙重特性，它作為海洋探測和作業的理想載體，在體系結構上具有開放式、模塊化、可重構的特點，在控制方面具有多種控制方式（自主、半自主、遙控）。它可以通過搭載各種成熟探測器和傳感器進行定點觀測、區域搜索，也可以搭載機械手、采水器等進行水下輕作業。ARV 既可以作為ROV 使用進行小范圍精密作業，也可以作為AUV 使用進行大范圍的探測，這些特點是單一的ROV 或AUV 不能相比的[4]。與ROV 相比，ARV 無須攜帶長距離光纜，從而擴大了潛水器的作業范圍，簡化了潛水器水面支持系統，降低了潛水器對母船的要求。與AUV 相比，ARV 不僅可以向水面平臺反饋水下實時數據，水面平臺還可以人工干預潛水器，輔助校驗潛水器狀態，協助完成水下作業，提高了潛水器的可靠性，提升了潛水器作業能力和作業效率。而從安全性方面考慮，ARV 既可以像AUV 一樣，具有自主故障檢測、容錯控制等技術，也可以通過避碰聲吶自主避障；也可以像ROV 一樣，水面系統和水下系統進行實時光纖通信，水面水下數據實時共享，人為參與控制，更易于實現精確控制，安全性較高。此外，由于ARV的功能集成度較高，既可以進行海底區域的勘察和監測，還可以用于漁業勘察、水下打撈和搜救等，還可配合其他潛水器完成水下調查和考察任務。ARV 作為當前水下機器人領域的研究熱點，是人類進行海洋探索的重要方向。

2 我國自主/遙控水下機器人（ARV）的研究現狀

21 世紀初期，ARV 作為新型的混合型機器人的概念提出后，中國科學院、中國船舶重工、各大院校，陸續開始了對ARV 研究，并取得了不錯的進展。

2008 年，中國科學院沈陽自動化研究所完成了“北極”ARV 的研制，作為率先提出ARV 概念的單位，中國科學院沈陽自動化研究所研制的“北極”ARV，在研制成功后的6 年內，前后三次參加北極科考任務[5-6]，完成了對指定海冰區域的觀測和海冰分布調查任務。通過對多項參數的測量，得到了大量海冰數據。此外，還拍攝到大量海冰底部視頻和多種冰下浮游生物。這些數據、視頻為科學家研究北極提供了更加直接、可靠的依據，刷新了當時我國水下機器人在高緯度冰下調查的紀錄。“北極”ARV 在極地科考中的成功應用，大大地提升了我國水下機器人技術水平和國際上的影響力。

2009 年，中國船舶重工集團公司第702 研究所（以下簡稱為“702 所”）完成了“海箏I 型”ARV 原理樣機的研制，分別為ROV 樣機研制和AUV 技術研究兩個階段。通過水池和湖上試驗，對其進行演練和演示。2010 年，為了進一步推動“海箏”系統ARV 的繼續前進，702 所又啟動了“海箏II 型”ARV 的研制，通過對“海箏I 型”ARV 的原理樣機研制的全面總結分析，“海箏II 型”ARV 進行了總體優化設計、功能拓展及工程化改造等，使得ARV 具備了良好的水下工程應用能力。在千島湖湖試中，不僅完成了ARV 基本功能測試，還完成了水下掛鉤、水下物品打撈等作業測試。此外，“海箏II 型”ARV 還參與了某大型水電站引水洞的探查任務和國外排海管道內部檢查任務并圓滿完成任務，為ARV 應用再添一成功案例[7]。

2013 年，上海海事大學完成了“海事一號”ARV的研制。“海事一號”ARV 質量85 kg，最大下潛深度150 m。由于“海事一號”ARV 的結構小、重量輕，具有經濟性、靈活性等優點，可應用于淺海漁業監測、水下打撈和搜救等作業，具有良好的經濟效益和社會效益。

2016 年，“海斗”號全海深自主遙控水下機器人（ARV）在中國科學院沈陽自動化研究所研制成功，并在我國第一次綜合性萬米深淵科考航次中嶄露頭角，成功完成了萬米試驗與應用任務，成為此次萬米深潛試驗的探海利器，實現了我國科學探索萬米深淵的夢想。此次應用過程中，“海斗”號ARV 的最大下潛深度超過萬米，成為我國首臺下潛深度超過萬米的水下機器人，創造并刷新了我國水下機器人的最大下潛深度和最大作業深度紀錄。同時，為我國首次測量馬里亞納海溝指定區域萬米溫、鹽、深剖面數據。“海斗”號ARV 在2016—2018 年中，連續三年參加我國萬米深淵科考航次，三次科考任務中，“海斗”號共計11 次下潛萬米，最大下潛深度分別達到10 767 m、10 888 m和10 905 m，不斷刷新我國水下機器人的最大下潛深度。在2017 年深淵科考中，“海斗”號ARV 突破超長距離（38 km）、大深度（10 886 m）、微細光纖（0.4 mm）綜合管理和應用技術，攻克了光纖應用技術難點；在國內首次拍攝到萬米深淵海底的視頻影像，并利用潛水器光纖傳輸技術將該視頻影像實時傳輸到母船水面監控平臺，該技術填補了我國超大深度海底實時視頻數據的歷史空白。2018 年深淵科考中，“海斗”號ARV 在國內首次實現了萬米海底巡航探測和高清視頻直播。

2020 年，由中國科學院沈陽自動化研究所牽頭聯合中國10 余家優勢單位共同研制的“海斗一號”全海深自主潛水器（ARV）完成了萬米海底試驗驗證，實現七次萬米深度下潛，最大下潛深度達到10 907 m，刷新當時我國水下機器人最大下潛和作業深度的紀錄。“海斗一號”ARV 在高精度深度探測、萬米以下工作時長、機械手作業、聲學通信、聲學探測與定位、高清視頻等方面，創造了我國潛水器領域多項第一；完成了對馬里亞納海溝最深區域的巡航探測與高精度深度測量；首次實現AUV 萬米海底自主聲學巡航探測和高精度深度測線；在國際上首次利用水下機器人搭載的全海深電動機械手，完成萬米深淵海底樣品抓取、沉積物取樣、標志物布放、水樣采集等系列化作業。成為國際上首臺具備自主遙控功能的探測作業一體化全海深水下機器人，也是當前國際上唯一具備萬米深淵海底探測和作業能力的水下機器人。2021 年，“海斗一號”ARV 赴菲律賓海盆和馬里亞納海溝執行科考應用航次。“海斗一號”ARV 采用AUV 操控模式實現我國首臺AUV 的萬米下潛和探測應用，創造AUV 下潛深度世界紀錄（10 871 m）、萬米海底工作時間世界紀錄（10 h10 min）和萬米海底航程世界紀錄（9 km），首次實現AUV 萬米海底自主聲學巡航探測和高精度深度測線；采用ROV 模式，通過坐底高清視頻攝像，獲取了深淵底棲生物和海溝典型地質環境變化影像資料，這些資料為我國科學家研究和分析深淵極端生命適應性和演化機制提供了寶貴的研究素材和樣品。此外，在此次航次中，通過與同船的“奮斗者”載人潛水器（HOV）的交替作業，實現了與載人潛水器相互協作，共同進行海洋調查和考察任務，極大地提高了科學探測的效率。

2021 年，“思源號”全海深無人潛水器（ARV）研制在上海交通大學完成，“思源號”ARV 搭乘“深海一號”科考船在西太平洋公海（菲律賓海盆）海域順利完成深海試驗。此次航次中，ARV 多次下潛深海，最大下潛深度達到8 072 m，總體技術性能穩定。“思源號”ARV 海底最大工作時長超過8 h，完成了海底探測和取樣等多種測試，驗證了裝備的穩定性和強大的海底作業能力。

2022 年，青島海洋地質研究所委托中國科學院沈陽自動化研究所研制的“問海一號”6 000 mARV 成功入列，“問海一號”ARV 不僅像傳統ARV 一樣，既可搭載機械手，還可搭載高分辨率測深側掃、淺剖、重力儀等設備，并在關鍵目標區進行區域性近海底自主航行探測和坐底定點精細取樣作業。在海試與應用中，“問海一號”ARV 在三種模式中，靈活切換，高效并順利地完成海試和科考任務。據相關人員介紹，這是我國首次基于國產無人潛水器平臺開展的近海底重磁、地形地貌及淺部地層結構同步測量，為我國海洋資源勘探和多物理場匹配導航研究，提供了有力的技術支持。

3 結語

自主遙控水下機器人（ARV）從概念的提出到研究已經約有20 年，隨著研究的不斷深入，ARV 憑借它特有的技術優勢與特點，為科研和民用提供了有效的支撐，ARV 的應用領域已經覆蓋各種河流、水電站、深淺海域，還覆蓋極地、深淵、海溝等復雜海域，實現了從最開始的研究、探測到作業的應用發展。隨著未來自主控制和人工智能等技術的不斷發展，自主遙控水下機器人將具有更高智能化水平，具備自主作業的能力，并在更多的領域內發揮自己的作用，得到更加廣泛的應用。