我国自主/遥控水下机器人研究现状★

王福利， 任宝祥

（1.中国科学院沈阳自动化研究所， 辽宁 沈阳 110000；2.广东智能无人系统研究院， 广东 广州 511458）

0 引言

人类对海洋奥秘的探索从未停止。水下机器人作为探索海洋的重要载体，在科研、军事等领域广泛应用。水下机器人（Under Water Vehicle）是一种用于水下工作环境的作业机器人，将其用于水中代替潜水员完成某些操作和作业任务，又称潜水器。水下机器人根据机器人本体中是否载人，分为载人潜水器（HOV）和无人潜水器（UUV），其中无人潜水器根据遥控方式的不同（是否需要通信电缆进行控制），又可分为无人有缆机器人和无人无缆机器人，即遥控水下机器人（ROV）和自主水下机器人（AUV），两者各有优势，相互补充，都是海洋装备的重要组成部分[1-2]。ROV 通过电缆传递信号和能源，操作者通过长距离电缆在水面遥控平台内遥控机器人，其优点是可在海底小范围作用区域进行精细观测、海底取样等作业，缺点是由于遥控（操作）电缆长度有限，导致ROV 航行范围是受限的；AUV 作业时无须携带电缆，能源安装在水下机器人内，机器人按照任务要求，预置控制程序完成规定任务，其优点是可自主航行进行大范围探测，缺点是由于机器人本体携带能源有限，航行时间也是有限的。

自主/遥控水下机器人（ARV）是近年来研发出的新型混合式水下机器人，其融合了ROV 和AUV 的优点[3]，具有水下定点作业和大范围探测的双向功能，提升了水下机器人的作业能力，扩大了作业范围，使那些较为复杂的海底作业和观测成为可能。与AUV 相比，ARV 可以携带机械手、采水器等部件，增加了潜水器的作业能力；而与ROV 相比，ARV 摆脱了光缆的束缚，把作业范围提升到几公里甚至几十公里。由于当前我国的水下机器人还无法完成较高的自主作业、识别、判断等智能化作业，研究ARV 这种混合式水下机器人，可以增加人类对海底探索的方式，使人类探索海洋的活动得到更好的延伸，具有更广泛地应用前景。

1 自主/遥控水下机器人（ARV）的主要特点

自主/遥控水下机器人（ARV）作为一种混合型潜水器，兼有AUV 和ROV 的双重特性，它作为海洋探测和作业的理想载体，在体系结构上具有开放式、模块化、可重构的特点，在控制方面具有多种控制方式（自主、半自主、遥控）。它可以通过搭载各种成熟探测器和传感器进行定点观测、区域搜索，也可以搭载机械手、采水器等进行水下轻作业。ARV 既可以作为ROV 使用进行小范围精密作业，也可以作为AUV 使用进行大范围的探测，这些特点是单一的ROV 或AUV 不能相比的[4]。与ROV 相比，ARV 无须携带长距离光缆，从而扩大了潜水器的作业范围，简化了潜水器水面支持系统，降低了潜水器对母船的要求。与AUV 相比，ARV 不仅可以向水面平台反馈水下实时数据，水面平台还可以人工干预潜水器，辅助校验潜水器状态，协助完成水下作业，提高了潜水器的可靠性，提升了潜水器作业能力和作业效率。而从安全性方面考虑，ARV 既可以像AUV 一样，具有自主故障检测、容错控制等技术，也可以通过避碰声呐自主避障；也可以像ROV 一样，水面系统和水下系统进行实时光纤通信，水面水下数据实时共享，人为参与控制，更易于实现精确控制，安全性较高。此外，由于ARV的功能集成度较高，既可以进行海底区域的勘察和监测，还可以用于渔业勘察、水下打捞和搜救等，还可配合其他潜水器完成水下调查和考察任务。ARV 作为当前水下机器人领域的研究热点，是人类进行海洋探索的重要方向。

2 我国自主/遥控水下机器人（ARV）的研究现状

21 世纪初期，ARV 作为新型的混合型机器人的概念提出后，中国科学院、中国船舶重工、各大院校，陆续开始了对ARV 研究，并取得了不错的进展。

2008 年，中国科学院沈阳自动化研究所完成了“北极”ARV 的研制，作为率先提出ARV 概念的单位，中国科学院沈阳自动化研究所研制的“北极”ARV，在研制成功后的6 年内，前后三次参加北极科考任务[5-6]，完成了对指定海冰区域的观测和海冰分布调查任务。通过对多项参数的测量，得到了大量海冰数据。此外，还拍摄到大量海冰底部视频和多种冰下浮游生物。这些数据、视频为科学家研究北极提供了更加直接、可靠的依据，刷新了当时我国水下机器人在高纬度冰下调查的纪录。“北极”ARV 在极地科考中的成功应用，大大地提升了我国水下机器人技术水平和国际上的影响力。

2009 年，中国船舶重工集团公司第702 研究所（以下简称为“702 所”）完成了“海筝I 型”ARV 原理样机的研制，分别为ROV 样机研制和AUV 技术研究两个阶段。通过水池和湖上试验，对其进行演练和演示。2010 年，为了进一步推动“海筝”系统ARV 的继续前进，702 所又启动了“海筝II 型”ARV 的研制，通过对“海筝I 型”ARV 的原理样机研制的全面总结分析，“海筝II 型”ARV 进行了总体优化设计、功能拓展及工程化改造等，使得ARV 具备了良好的水下工程应用能力。在千岛湖湖试中，不仅完成了ARV 基本功能测试，还完成了水下挂钩、水下物品打捞等作业测试。此外，“海筝II 型”ARV 还参与了某大型水电站引水洞的探查任务和国外排海管道内部检查任务并圆满完成任务，为ARV 应用再添一成功案例[7]。

2013 年，上海海事大学完成了“海事一号”ARV的研制。“海事一号”ARV 质量85 kg，最大下潜深度150 m。由于“海事一号”ARV 的结构小、重量轻，具有经济性、灵活性等优点，可应用于浅海渔业监测、水下打捞和搜救等作业，具有良好的经济效益和社会效益。

2016 年，“海斗”号全海深自主遥控水下机器人（ARV）在中国科学院沈阳自动化研究所研制成功，并在我国第一次综合性万米深渊科考航次中崭露头角，成功完成了万米试验与应用任务，成为此次万米深潜试验的探海利器，实现了我国科学探索万米深渊的梦想。此次应用过程中，“海斗”号ARV 的最大下潜深度超过万米，成为我国首台下潜深度超过万米的水下机器人，创造并刷新了我国水下机器人的最大下潜深度和最大作业深度纪录。同时，为我国首次测量马里亚纳海沟指定区域万米温、盐、深剖面数据。“海斗”号ARV 在2016—2018 年中，连续三年参加我国万米深渊科考航次，三次科考任务中，“海斗”号共计11 次下潜万米，最大下潜深度分别达到10 767 m、10 888 m和10 905 m，不断刷新我国水下机器人的最大下潜深度。在2017 年深渊科考中，“海斗”号ARV 突破超长距离（38 km）、大深度（10 886 m）、微细光纤（0.4 mm）综合管理和应用技术，攻克了光纤应用技术难点；在国内首次拍摄到万米深渊海底的视频影像，并利用潜水器光纤传输技术将该视频影像实时传输到母船水面监控平台，该技术填补了我国超大深度海底实时视频数据的历史空白。2018 年深渊科考中，“海斗”号ARV 在国内首次实现了万米海底巡航探测和高清视频直播。

2020 年，由中国科学院沈阳自动化研究所牵头联合中国10 余家优势单位共同研制的“海斗一号”全海深自主潜水器（ARV）完成了万米海底试验验证，实现七次万米深度下潜，最大下潜深度达到10 907 m，刷新当时我国水下机器人最大下潜和作业深度的纪录。“海斗一号”ARV 在高精度深度探测、万米以下工作时长、机械手作业、声学通信、声学探测与定位、高清视频等方面，创造了我国潜水器领域多项第一；完成了对马里亚纳海沟最深区域的巡航探测与高精度深度测量；首次实现AUV 万米海底自主声学巡航探测和高精度深度测线；在国际上首次利用水下机器人搭载的全海深电动机械手，完成万米深渊海底样品抓取、沉积物取样、标志物布放、水样采集等系列化作业。成为国际上首台具备自主遥控功能的探测作业一体化全海深水下机器人，也是当前国际上唯一具备万米深渊海底探测和作业能力的水下机器人。2021 年，“海斗一号”ARV 赴菲律宾海盆和马里亚纳海沟执行科考应用航次。“海斗一号”ARV 采用AUV 操控模式实现我国首台AUV 的万米下潜和探测应用，创造AUV 下潜深度世界纪录（10 871 m）、万米海底工作时间世界纪录（10 h10 min）和万米海底航程世界纪录（9 km），首次实现AUV 万米海底自主声学巡航探测和高精度深度测线；采用ROV 模式，通过坐底高清视频摄像，获取了深渊底栖生物和海沟典型地质环境变化影像资料，这些资料为我国科学家研究和分析深渊极端生命适应性和演化机制提供了宝贵的研究素材和样品。此外，在此次航次中，通过与同船的“奋斗者”载人潜水器（HOV）的交替作业，实现了与载人潜水器相互协作，共同进行海洋调查和考察任务，极大地提高了科学探测的效率。

2021 年，“思源号”全海深无人潜水器（ARV）研制在上海交通大学完成，“思源号”ARV 搭乘“深海一号”科考船在西太平洋公海（菲律宾海盆）海域顺利完成深海试验。此次航次中，ARV 多次下潜深海，最大下潜深度达到8 072 m，总体技术性能稳定。“思源号”ARV 海底最大工作时长超过8 h，完成了海底探测和取样等多种测试，验证了装备的稳定性和强大的海底作业能力。

2022 年，青岛海洋地质研究所委托中国科学院沈阳自动化研究所研制的“问海一号”6 000 mARV 成功入列，“问海一号”ARV 不仅像传统ARV 一样，既可搭载机械手，还可搭载高分辨率测深侧扫、浅剖、重力仪等设备，并在关键目标区进行区域性近海底自主航行探测和坐底定点精细取样作业。在海试与应用中，“问海一号”ARV 在三种模式中，灵活切换，高效并顺利地完成海试和科考任务。据相关人员介绍，这是我国首次基于国产无人潜水器平台开展的近海底重磁、地形地貌及浅部地层结构同步测量，为我国海洋资源勘探和多物理场匹配导航研究，提供了有力的技术支持。

3 结语

自主遥控水下机器人（ARV）从概念的提出到研究已经约有20 年，随着研究的不断深入，ARV 凭借它特有的技术优势与特点，为科研和民用提供了有效的支撑，ARV 的应用领域已经覆盖各种河流、水电站、深浅海域，还覆盖极地、深渊、海沟等复杂海域，实现了从最开始的研究、探测到作业的应用发展。随着未来自主控制和人工智能等技术的不断发展，自主遥控水下机器人将具有更高智能化水平，具备自主作业的能力，并在更多的领域内发挥自己的作用，得到更加广泛的应用。