自主/遥控水下机器人研究现状

李一平，李　硕，张艾群

（中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，沈阳 110016）



自主/遥控水下机器人研究现状

李一平，李硕，张艾群

（中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，沈阳 110016）

摘要:在过去的二十年中，水下机器人技术得到了快速发展，各种新型的水下机器人不断涌现。本文介绍了一种新型混合式水下机器人——自主/遥控水下机器人（ARV），ARV结合了自主水下机器人（AUV）和遥控水下机器人（ROV）的特点，自带能源并携带光纤微缆，具有多种工作模式，可实现大范围的精确调查和局部区域的定点作业，文章重点介绍自主/遥控水下机器人的国内外研究现状及成功应用的案例。

关键词:水下机器人（UUV）；遥控水下机器人（ROV）；自主水下机器人（AUV）；自主/遥控水下机器人（ARV）

李硕（1970-），男，研究员，主要从事水下机器人控制系统、新型水下机器人系统研究。

引言

在过去的二十年中，水下机器人（UUV，Unmanned Underwater Vehicle）技术得到了快速发展，逐渐在军事、科学研究和商业领域得到广泛的应用。水下机器人也称为无人潜水器，按特点可分为两类：遥控水下机器人（ROV，Remotely Operated Vehicle）和自主水下机器人（AUV，Autonomous Underwater Vehicle），通常前者依靠电缆提供的动力、后者依靠自身携带的能源驱动其在水下作三维空间运动。AUV和ROV各有其特点和不足，如AUV主要用于大范围的水下探测，不具备作业能力；ROV可在一定范围内进行精细作业，其深度和作业范围受脐带电缆的约束。

自主/遥控水下机器人（ARV，Autonomous & Remotely Operated Vehicle）是近十几年来发展起来的一种新型混合式水下机器人。ARV结合了AUV和ROV的特点，使其既具备AUV的功能，可实现较大范围的探测，又具备ROV的功能，能完成水下定点作业。ARV技术可以看成是观测型AUV向作业型AUV发展的一个必然阶段，由于当前人工智能等技术的发展还远远不能使水下机器人具有较高的智能，研究这类混合式水下机器人，可以使人类利用机器人探索海洋的活动得以延伸。

1　自主/遥控水下机器人的主要特点

ARV是一种集自主水下机器人（AUV）和有缆遥控水下机器人（ROV）特点于一身的新型的混合式水下机器人，具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式，自带能源并携带光纤微缆，可以在深海环境下，实现自主、遥控、半自主等不同作业模式下的区域搜索、定点观测以及水下轻作业，是一种理想的海洋探测和作业平台。

通常混合式水下机器人是两种机器人优势的组合。ARV结合了AUV和ROV的特点，既可以作为AUV使用，进行较大范围的水下调查，也可以作为ROV使用，进行局部区域的精确调查和作业。因此，它兼顾了二者的优点，可在海洋环境下实现较大范围搜索、定点观测以及水下轻作业。这些特性是单一AUV或ROV不能全部拥有的，二者的结合使得一些海洋观测和作业应用成为可能。

ARV与AUV相比，不仅实现了实时数据交互，还可以完成水下轻作业，提升了系统的作业能力；相对于ROV，由于其可携带长距离光纤微缆，不仅扩大了水下作业范围，也降低了对支持母船的要求，降低了水面支持系统的复杂程度，减少了水面支持系统的体积和重量。在现有机器人智能水平条件下，ARV是当今国际研究水下机器人的一个热点，特别是在深海领域，代表着人类利用水下机器人探索海洋活动的重要方向。

2　自主/遥控水下机器人研究现状

加拿大ISE公司的R.McFarlane对水下机器人（潜水器）的发展历史概括总结为四个阶段［1］，前三个阶段称为三次革命：第一次革命出现在二十世纪60年代，以潜水员潜水和载人潜水器的应用为主要标志；第二次革命出现在70年代，以遥控水下机器人（ROV）迅速发展成为一个成熟的产业为标志；第三次革命发生在90年代以后，以自主水下机器人（AUV）走向成熟为标志。而现在则是混合型水下机器人的时代，这是因为任何一类水下机器人都有其局限性，为了应对越来越高的复杂使命要求，使用多种类型的水下机器人组合成新系统，是当前发展的主要趋势。

作为新一代混合作业模式的水下机器人，国际上对ARV还存在不同的定义，但与我们提出的ARV技术的内涵是一致的。ARV凭借其独特的作业特点和技术优势，近年来得到一定的发展，其潜在的应用前景更加广泛。

2.1国外研究现状

美国、日本等海洋大国先后研制成功了用于不同作业目标的混合式水下机器人，其研究成果得到国际上同领域专家的一致认可。其中最具代表性的是美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）研制的Nereus HROV（“海神”号，图1），该水下机器人自带能源，既可以采用AUV模式进行自主海底调查，又可通过光纤微缆与水面支持母船建立实时通信连接，以遥控模式（ROV模式）完成取样和轻作业。“海神”号配备有独立的取样与作业单元，可在现场短时间进行改装，由AUV模式改装成ROV模式。也就是说，“海神”号下水前需确定其工作模式。在“海神”号多次下潜中，主要以ROV作业为主，故设计者们将其定义为混合式ROV-HROV。

a. AUV模式　b. ROV模式图1　WHOI研制的Nereus

“海神”号是全球唯一一台可以进行全海深下潜的混合型水下机器人，主要用于地球、生命等科学探索，载体的主要技术指标见表1。伍兹霍尔海洋研究所从2001年起开始混合型水下机器人的关键技术研究工作，2008年研制成功“海神”号。2009年5月31日“海神”号成功下潜至马里亚纳海沟10902米水深处，完成了对马里亚纳海沟的探索和挑战。［2］在过去的十几年间，围绕“海神”号水下机器人的研制，进行了多次海上试验和应用工作。2014年5月10日，“海神”号在探索新西兰的克马德克海沟时在水下9990米处失踪。随后，在海面上发现了水下机器人碎片的漂浮物，初步认定是陶瓷球在深渊爆裂所致。尽管“海神”号在探索克马德克海沟时丢失，但这并不影响其在国际上的影响力。

在“海神”号研究的基础上，自2011年起，针对极地海冰调查，伍兹霍尔海洋研究所开始研制新的混合型水下机器人——Nereid UI（图2）。该水下机器人最大工作水深2000米，携带20km的光纤微缆，并搭载多种生物、化学传感器，可进行大范围的冰下观测和取样等作业。

表1　Nereus主要技术指标

图2　WHOI研制的Nereid UI

此外，美国、英国、日本、法国等国也致力于混合式水下机器人的研究开发工作，并有相应的样机研制成功。

美国Oceaneering公司联合Boeing和Fugro公司从2001年起共同开发了混合式水下机器人Taser（The Autonomous System for Extended Reach，图3），该水下机器人可根据应用环境和水下设备复杂程度选择使用AUV或ROV操作模式，具有三种工作模式：传统AUV模式，短缆混合作业模式和长缆混合作业模式。

图3　Taser混合式水下机器人

日本海洋科学与技术中心（JAMSTEC）开发的MR-X1（图4），最大工作深度为4200米，具有自治、遥控、无线（无线电/声学）三种工作模式，主要用于海洋精确观察和在海底安装观察设备。

图4　日本JAMSTEC研制的MR-X1

法国Cybernetix公司研制的混合式水下机器人Swimmer（图5），采用AUV携带ROV的方式航行到预定的地点，与水下生产系统对接。由Swimmer携带的ROV执行水下生产系统检查和维护作业。

图5　法国Cybernetix公司研制的Swimmer

2010年，法国海洋研究所 IFREMER研制成功混合式水下机器人（HROV Ariane）“阿丽亚娜”号（图6），该水下机器人主要用于沿海冷水珊瑚礁、海底峡谷、海山、悬崖等特殊地形的勘察和生物多样性观测。“阿丽亚娜”号重1800公斤，最大下潜深度2500米，搭载有高清摄像机、照相机、水声通信机和两个机械手。“阿丽亚娜”号具有缆控和自主两种操作模式，可通过普通船舶（非动力定位船）布放和回收，当其以遥控（ROV）模式运行时，通过光纤与母船连接，实现数据实时传输，以自主（AUV）模式运行时，通过水声通信将采集到的数据传至水面。2015年“阿丽亚娜”号进行了深海试验，最大下潜深度2011米。

图6　法国IFREMER研制的HROV Ariane

2.2国内研究现状

当前，国内自主/遥控水下机器人研制多数都处于开发研究阶段，投入应用的系统有限。

在ARV的研究方面，中科院沈阳自动化所（SIA）、中国船舶科学研究中心等单位相继开展了相关研究。中国船舶科学研究中心研制了小型“海筝”ARV样机，并开展了水池试验，其中“海筝II型”ARV样机开展了湖上试验。

中科院沈阳自动化所于2003年在国内率先提出了自主/遥控水下机器人（ARV，图7）的概念，2005年至今，先后研制成功四型ARV并完成了湖试、海试及应用工作。其中，“北极”ARV在2008年至2014年间，分别参加了中国第三次、第四次、第六次北极科考。［3］ ［4］ ［5］在北极科考期间，“北极”ARV自主完成对指定海冰区的连续观测，通过其搭载的多种传感器，获取了大量海冰物理数据及海冰底部视频，通过这些数据可定量计算出太阳辐射对该纬度海冰融化的影响，同时从动力学和热力学两方面分析出海水对北极海冰的影响。

图7　“北极”ARV在中国第三次（上）、第四次（下）北极科考中应用（SIA）

图8　“北极”ARV在中国第六次北极科考中应用（SIA）

2014年，我们对原有的“北极”ARV系统进行了改进，使之成为小型ARV系统，并参加了中国第六次北极科考（图8）。在此次调查中，“北极”ARV完成了浮冰的多项参数测量、“雪龙”号科考船船下海冰分布调查等多项任务，还拍摄到北极冰下的多种浮游生物，使科学家可以直接进行观测研究，这些都是传统科考设备所无法获取的。

“北极”ARV在北极科考中的多次成功应用，刷新了我国水下机器人在高纬度下开展冰下调查的记录，也提升了我国水下机器人的技术水平和国际影响力。其成果受到了国内外同行和新闻媒体的广泛关注。

自2014年起，在中国科学院先导专项的支持下，沈阳自动化所围绕深渊探测的需求，开展了全海深ARV关键技术研究工作，建立了11000米级全海深ARV关键技术验证平台，2015年完成了全海深ARV验证平台浅海试验及3000米级深海试验，试验中全海深ARV最大下潜深度为2784米，在海底工作1小时14分，获得了下潜、海底航行及上浮全过程的有效视频资料、海洋剖面及海底的温盐数据，发现了有趣的海底生物，实现了试验的既定目标（图9）。

图9　全海深ARV深海试验及海底视频截图（SIA）

3　结论

自主/遥控水下机器人（ARV）的出现是水下机器人技术发展到现阶段的必然结果。ARV凭借其独特的作业特点和技术优势，近年来得到了一定的发展，主要应用领域包括深海复杂海区的勘探与调查作业，海沟、深渊调查及作业，极地冰下调查等。在过去的十年中，ARV多次在海沟、深渊、极地开展试验应用，在人类难以到达的区域进行调查及作业，帮助科学家探索海洋深处地球生命的起源、北极海冰变化及其影响等重大科学问题。未来，随着技术的不断进步，ARV将在更多的领域得到广泛的应用。

参考文献

［1］ James R. McFarlane. Tethered and untethered vehicles: the future is in the past ［J］. Marine Technology Society Journal， 2009， 43（2）:9-12.

［2］ Louis L. Whitcomb， et al. Navigation and Control of the Nereus Hybrid Underwater Vehicle for Global Ocean Science to 11，000 m Depth: Preliminary Results［C］. IEEE International Conference on Robotics and Automation，2010.

［3］ Yiping Li，Shuo Li，Aiqun Zhang. Recent Research and Development of ARV in SIA［C］. Sixth International Symposium on Underwater Technology UT2009， Wuxi，China， April 2009.

［4］ 封锡盛， 李一平. 海洋机器人30年［J］. 科学通报， 2013 ，58（S2）: 2-7.

［5］ Baoju Wu， Shuo Li， et al. ARV Navigation and Control System at Arctic Research［C］. Proceedings of the OCEANS 2009， October 26-29， Biloxi， MS， USA， 2009.

Research Status of Autonomous & Remotely Operated Vehicle

Li Yiping， Li Shuo， Zhang Aiqun
（State Key Laboratory of Robotics， Shenyang Institute of Automation Chinese Academy of Science， Shenyang 110016， China）

Abstract:In the past 20 years， Underwater Vehicle technology has been developed rapidly. Various kind of novel underwater vehicle has been coming forth continuously. This paper introduces a novel type of hybrid underwater vehicle - Autonomous & Remotely Operated Vehicle. ARV features with different operation modes （autonomous， semi-autonomous， and remote control）. It’s equipped with power supplies and a fiber optic micro cable. AUV mode enables the vehicle to make underwater exploration in a large scale，while ROV mode is designed to investigate in limited aera with accuracy. The paper also introduces domestic and foreign research situation， and successful application cases of ARV.

Keywords:Unmanned Underwater Vehicle （UUV）； Remotely Operated Vehicle （ROV）； Autonomous Underwater Vehicle （AUV）； Autonomous & Remotely Operated Vehicle （ARV）

中图分类号：P72

文献标识码：A

文章编号：1674-4969（2016）02-0217-06

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00217

收稿日期：2016-01-11； 修回日期： 2016-02-02

基金项目：全海深无人潜水器关键技术研究（XDB06050200）

作者简介：李一平（1963-），女，研究员，主要从事水下机器人控制系统、新型水下机器人系统研究。E-mail: lyp@sia.cn