征服未知海底的利器详解智能水下机器人

  无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将AI、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面技术，集中应用于同一水下载体上，在没有人工实时控制的情况下，自主决策、控制完成在复杂的海洋环境中的预定任务的机器人。是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，它能对观测信息来加工，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一些故障。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。

  中国在水下机器人研究方面起步虽晚，但通过不懈努力取得了巨大技术成果。2014年我国自主研制的6000米AUV(无缆水下机器人)“潜龙一号”在东北太平洋多金属结核合同区成功下潜作业、“蛟龙号”下水、“北极ARV”助力科考，都彰显了我国在水下机器人领域的研发决心和科研技术成果。

  但我国水下机器人的研发技术水平与欧美等国还存在一定差距，致使国产水下机器人的实际应用受到限制。未来我国一旦在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航技术方面有所突破，将极大拓展我国水下机器人应用新领域。

  载人潜水器是由人工输入信号操控各种动作，由潜水员和科学家通过观察窗直接观察外部环境。其优点是由人工亲自做出各种核心决策，便于处理各种复杂问题，但是人员面临的危险性大。由于载人潜水器需要足够的耐压空间、可靠的生命安全保障和生命维持系统，使得潜水器体积非常庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限。

  有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，且不需要人为干预。其主要由水面设备（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）。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，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。人们通过电缆对ROV进行遥控操作，电缆如同“脐带”一样，对ROV至关重要。但细长的电缆悬在海中，也成为ROV最脆弱部分，大大地限制了机器人的活动范围和工作效率。

  智能水下机器人，将AI、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术应用于同一载体上，在没有人工实时控制的情况下自主决策，代替人类在复杂的水下甚至是海洋环境中控制完成预定任务使命。

  水下机器人诞生于20世纪后半叶，随着军事及海洋工程的需要，以及电子、计算机、材料等高新技术的发展，截止到2013年，水下机器人的数量已增长了200多倍。从军用到民用，从浅海到深海是水下机器人的发展路径。截至2013年，全世界仅有不到三分之一的水下机器人属于军用，民用水下机器人已大范围的应用于海洋石油、渔业、新能源产业、科研教学、船舶水下检修和河道疏浚等领域。

  1985年后，潜水器又进入了一个新的发展时期。中国从80年代开始，进行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，并成功进行了水下实验。

  广义上的水下机器人，也可称作潜水器(Underwater Vehicles)，是一种可在水下代替人，在充满未知的海洋环境中完成某种任务的装置。海洋中的风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋外因，对水下机器人的运动干扰严重，使得操作人员与水下机器人进行通信和定位十分困难。这是水下机器人与陆地机器人最大的不同，也是目前阻碍水下机器人发展的主要因素。

  未来10年将是中国水下机器人发展的关键期。与水下机器人最相关的三个行业是海洋油气业、海洋渔业以及海洋矿业，三个行业GDP总值及占比连年增长。我国水下机器人一旦打开新应用领域则市场空间巨大。预计到2020年我国海洋生产总值占GDP比重超过12%，到2030年这一比重将超过15%。2013~2017年全球工作级水下机器人项目总投资额将达97亿美元，较之前5年的投资额增长将近80%。

  就外形看，目前大部分水下机器人是框架式或类似于潜艇的回转细长体。随着仿生技术的持续不断的发展，仿鱼类形态和运动方式的水下机器人，将会不断发展。

  根据是否载人，可将潜水器分为载人潜水器和无人潜水器。无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同，可大致分为有缆遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle，简称ROV)、无缆水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)）两种。有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方法不一样可分为拖曳式、(海底)移动式和浮游(自航)式三种。无缆水下机器人一般是自治式机器人（又称智能机器人），它能够依靠本身的自主决策和控制能力，高效率地完成预定任务，在某些特定的程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。

  1953年-1974年，为水下机器人的第一发展阶段。各国开始做潜水器研制和早期开发工作，先后研制出20多艘潜水器。美国海军1956年研制出“CURV1”号水下机器人,其在服役期间曾执行数百次任务，从海底回收了100多枚鱼雷。1966年美国的CURV水下机器人与“阿尔文”号深潜器配合，在西班牙沿海将失落的氢弹从856米的大洋深处打捞上来,引起世界各国的关注。

  1975年-1985年是遥控潜水器大发展时期，也是水下机器人的第二发展阶段。开发海洋石油和天然气的应用需求，推动了潜水器研究理论和应用的发展，潜水器的种类和数量都得到非常明显增长。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、海事救捞等领域，都发挥了较大作用。

  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，又称无人遥控潜水器。由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具。

  1953年，美国研制出无人有缆遥控潜水器，标志着水下机器人诞生。随后世界各国开始全力发展水下机器人。