*通信作者
资助项目：中国科学院海洋大科学研究中心重点部署项目（COMS 2019Z 02）修改稿收到日期：2022年5月30日 Ocean Observation and Security Assurance Technology
引用格式：李硕, 吴园涛, 李琛, 等. 水下机器人应用及展望. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 910-920.pcmcia转usb
Li S, Wu Y T, Li C, et al. Application and prospect of unmanned underwater vehicle. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2022, 37(7): 910-920.
(in Chinese)
水下机器人应用及展望
李 硕1,2 吴园涛3 李 琛3 赵宏宇1*
李一平1,2
1 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
2 中国科学院大学 北京 100049
3 中国科学院 重大科技任务局 北京 100864
摘要 水下机器人是人类探索海洋、认识海洋的先进技术手段之一，是我国建设海洋强国的重要装备支撑。文章介绍了国内外水下机器人的发展现状，重点阐述以中国科学院沈阳自动化研究所为代表研制的我国谱系化水下机器人在深海资源勘查和科学研究、深渊科考、南极和北极调查中的最新应用成果。结合当前水下机器人研究基础，展望未来水下机器人的发展和应用方向。通过研发适应极端海洋环境的深远海科考装备，实现从航次型科考模式向深海长期驻留型科考模式的技术跨越，实现从有人科考向无人化科考模式的革命性转变。 关键词 水下机器人，深海资源调查，深海科学研究，深渊科考，极地应用
DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.20220506001
党的十八大报告明确提出，提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国。党的十九大报告要求加快建设海洋强国。探索和认识海洋需要包括水下机器人在内的多种海洋技术装备，“十二五”“十三五”期间，国家重点部署了 4 500 m 级和 11 000 m 级
遥控机器人深海技术装备的研制；“十四五”规划进一步提出，要在深海、极地等前沿领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。深海探测、海洋资源开发利用等
已成为新兴战略性领域[1]，关注深海、聚焦深海资源的开发已上升为国家战略。
近年来，水下机器人（UUV ）在海洋科学研究、海洋工程及战略高技术等领域得到了广泛应用。通常，水下机器人可分为自主水下机器人（AUV ）和有缆遥控水下机器人（ROV ）。AUV 自带能源自主航行，可执行大范围探测任务，但作业时间、数据实时性、作业能力有限。ROV 依靠脐带电缆提供动力，水下作业时间长、数据实时，作业能力较强，但作业范
围有限；近年来发展的混合式水下机器人—自主/遥控水下机器人（ARV）结合了 AUV 和 ROV 的优点，自带能源，通过光纤微缆实现数据实时传输，既可实现较大范围探测，又可实现水下定点精细观测及轻作业。ARV 是信息型 AUV 向作业型 AUV 发展过程中的出现新型水下机器人[2]。此外，水下滑翔机（glider）作为一种新技术平台[3]，适用于长时间、大范围海洋环境观测，近年来逐渐成熟。
水下机器人能够在极端海洋环境下工作，到达人类难以到达的海区，在探索人类未知世界发挥越来越重要的作用。通过自主航行控制、导航定位通信、能源动力推进、目标探测识别、机械手作业等高新
技术的不断突破，水下机器人将有效推动在海洋环境观测、深海资源探测和开发、深渊和极地的科学考察等领域的应用。
1国外水下机器人发展现状
国外水下机器人研究已有近 70 年的历史。以美国为代表的西方发达国家，先后研发了 ROV、AUV、ARV，以及水下滑翔机等多种不同类型的水下机器人，成功用于深海资源调查、海洋科学考察、水下搜索救捞等领域。
目前全球有上百家R O V制造商，正在使用的 ROV 数以千计，而且还在继续增长。其中美国、加拿大、英国、法国和日本等发达国家在 ROV 领域处于领先地位，占据了绝大部分的商用市场份额。美、日、俄、法等国家已经拥有了从水面支持母船到潜深 3 000—11 000 m 的系列深海装备，通过装备之间的相互支持、联合作业和安全救助等，能够顺利完成水下调查、搜索、采样、维修、施工和救捞等任务[4]。
自 20 世纪 50 年代美国华盛顿大学研制出世界上首台 AUV 以来，其发展已经历了 60 余年。20 世纪 90 年代后期，随着计算机技术发展和电子技术的日益成熟，AUV 进入快速发展阶段，一批有影响的 AUV 相继研制成功并成功应用，包括美国的ABE、英国的 Autosub、加拿大的 Theseus。进入 21 世纪，AUV 技术得到了进一步的发展，产品化的 AUV 不断涌现，如美国 Hydroid 公司的 Bluefin 系列、
挪威 Kongsberg 公司的 REMUS 系列和HUGIN 系列、美国 Teledyne 公司的 Gavia 系列，标志着 AUV 进入了实际应用阶段[2]。
美国、日本等海洋强国先后研成功研制于不同工作目标的 ARV，其研究成果得到国际广泛认可。最具代表性的是美国伍兹霍尔海洋研究所研制的 HROV Nereus（“海神”号），具有 AUV、ROV 两种作业模式，但需要在机器人下水前现场进行作业工作的换装[5]。自 2011 年起，在“海神”号基础上，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，其最大工作水深 2 000 m，携带 20 km 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。淤泥固化
国外水下滑翔机技术的发展与应用主要集中于美国、法国、英国和澳大利亚等国。20 世纪 90 年代，美国相继开发成功 Slocum、Seaglider 和 Spray 3 种水下滑翔机，并持续进行技术攻关和应用。此外，欧洲和澳大利亚从 21 世纪开始专注于水下滑翔机的应用和协作技术的研究，并组建了各自的水下滑翔机观测网络[6]。
总结国外水下机器人目前发展的现状，ROV 已产业化并被广泛使用，其发展更强调作业能力，以及提高其作业的自主性；由于水下能源、通信和导航技术的约束，AUV 依然是当前研究的热点并且正在经历产品化的过程，系列化的产品不断涌现；ARV 技术在极地和深渊科考中的应用，有效拓展了 AUV
的应用领域；水下滑翔机作为低成本大范围海洋观测设备，通过获取海量数据，改变了人类对海洋的认识。水下机器人技术的发展，离不开需求牵引的广泛应用，正是不断地应用，推动了水下机器人的技术进步。本文重
点介绍我国水下机器人应用现状。2 我国水下机器人应用现状
我国的水下机器人研究工作始于 20 世纪 70 年代末期。40 多年来，我国水下机器人技术得到了快速发展。进入 21 世纪，在科学技术部、中国科学院、中国大洋矿产资源研究开发协会（以下简称“中国大洋协会”）等部门和组织的支持下，以“潜龙/探索”系列自主水下机器人、“海星/海龙/海马”遥控水下机器人、“海斗”系列自主遥控水下机器人、“海翼/海燕”系列水下滑翔机等为代表的深海技术装备成功研制与应用，带动了深海技术的进展，极大地提高了我国深海科学研究与深海资源勘探水平。中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称“沈阳自动化研究所”）是我国最早开展水下机器人研究的单位，其研制的海洋技术装备在一定程度上反映了中国水下机器人的研究进展。下面，以沈阳自动化研究所为例，介绍我国水下机器人应用现状。
2.1 积极推动我国水下机器人在深海领域的持续应用2.1.1 初步构建我国深海资源自主勘查的技术装备体系
无底鞋深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，是人类社会谋求未来生存与发展的重要战略新疆域。随着人类社会的高速发展，对各种资源的需求不断攀升，陆地资源面临日益紧张的局面，开发和利用深海矿产资源是人类可持续发展的重要保障。深海矿产资源被认为是 21 世纪最重要的陆地矿产接替资源，
作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标。自 2001 年起，我国已经获得了包括多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳等 3 种资源类型在内
的 5 个大洋海底勘探合同区，成为资源种类最全、勘探合同区最多的国家之一，有效地拓展了国家战略资
源的新来源。这些矿区的前期开发申请及勘探合同签订后，都需要高精度、高效的探测装备[7]。
“十三五”期间，为满足现有国际海底矿区勘查和新矿区圈定的迫切需要，在国家重点研发计划、中国大洋协会、国际海域资源调查与开发等项目的支持下，沈阳自动化研究所联合国内多家机构，攻克复杂海底环境下的高精度导航、自主避障和稳定航行控制等多项关键技术，成功研制了具有微地形地貌测量、海底照相、水体异常探测、磁力探测等功能的深海资源自主勘查系统——“潜龙”系列深海 AUV （图 1）。结合探测任务及海底环境，“潜龙一号”和“潜龙四号”设计为圆柱回转体，适用于海底相对平坦矿区；“潜龙二号”和“潜龙三号”设计为立扁鱼型非回转体，适用于复杂海底地形矿区。“潜龙”系列深海 AUV 用于多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物等多种深海资源的精细勘查，填补了我国深海资源自主勘查的空白。“潜龙”系列深海 AUV 先后参加了 10 余次大洋科考航次，在太平
图1 “潜龙”系列自主水下机器人
Figure 1 “Qianlong” series autonomous underwater vehicles （a ）潜龙一号；（b ）潜龙二号；（c ）潜龙三号；（d ）潜龙四号
(a) Qianlong 1; (b) Qianlong 2; (c) Qianlong 3; (d) Qianlong
4
洋、大西洋、印度洋等海域开展航次应用，累计下潜近百次，完成声学探测测线超过 5 000 km，声学探测面积近 2 000 km2。根据“潜龙”系列深海 AUV 获取的海底多元数据，科学家对深海矿产资源的分布和成矿机理有了重要发现，为矿区区域放弃和后续资源开发提供了精准数据和模型。
2.1.2初步构建我国海洋科学研究的自主观测与作业
技术体系
海洋科学是海洋技术发展的源泉，海洋技术是海洋科学创新的动力。历史上，海洋学的创新都源自海洋调查观测的结果，海洋科学的创新研究与海洋观测和探测技术密不可分。在国家“863”计划、国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项的支持下，沈阳自动化研究所成功研制出“探索”系列自主
水下机器人、“海星 6000”遥控水下机器人、“海翼”系列水下滑翔机等装备并取得重大突破，初步构建了面向海洋科学研究的自主观测与作业技术体系，成功在西太平洋、印度洋、南海、东海、黄海等海域开展应用，实现多水下机器人集组网探测，开启了我国海洋科考新模式。
面向海洋科学研究需求，在国家重点研发计划的支持下，沈阳自动化研究所研制的“探索 100”是一套集声学探测和光学观测的 50 kg 级模块化便携式 AUV，实现了小批量制造，在突破无人潜水器协同控制组网观测等关键技术的基础上，实现了基于声通信的多 AUV 组网观测应用。2019—2020 年，由多台“探索 100”（图 2）组成的水下机器人组网观测系统开展了多项海洋特征观测海上试验及示范应用。利用多台 AUV 对大亚湾冷水团入侵和岬角涡旋现象进行观测，首次获得了大亚湾海域高分辨率的冷水团入侵和岬角涡旋精细结构特征，为研究上升流冷水对大亚湾底层生态系统的影响提供依据。在重点海区利用多 AUV 开展了协同热点区域搜索、编队和温跃层协同观测试验，以及海洋环境场自适应观测应用示范，按实时规划的航迹，对环境场变化最快的海域进行观测，有效修正了该海域海洋系统模式，提高了海洋环境场预测精度。
“探索 4500”是一套集成微地形地貌测量、海底照相、热液异常探测等传感器的 4 500 m 级 AUV，可在深海热液活动区和冷泉区开展精细声学探测、近底光学观测。自 2017 年起，“探索 4500”多次参加海上应用，包括冷泉区近底自主高精度探测，与“海马”号 ROV 在南海北部陆坡海域开展联合调查等任务。“探索 4500”在水体观测和光学调查任务中，获得大量水体观测数据和高清海底照片，拍摄到具有“
冷泉”特征的海底生物（图 3），为发现新的海底大型
图2“探索100”自主水下机器人
Figure 2“Tansuo 100”
autonomous underwater vehicles 图3“探索4500”拍摄的冷泉区海底贻贝照片
Figure 3 Photos of sea mussels in cold spring area taken by
“Tansuo 4500”
活动性“冷泉”，查明其分布范围、生物落及流体活动等奠定坚实基础。
“海星 6000”是我国首台自主研发面向科考应用的 6 000 m 级 ROV 装备，最大作业功率 50 HP ①，最大工作深度 6 000 m ，采用全电动推进，搭载有七功能机械手、回转生物吸取样器、宏生物采集箱、沉积物取样器、采水瓶等深海科考工具，具备浮力调节和水下广播级高清视频拍摄，可进行近海底采样作业。在 2018 年科考航次中，“海星 6000”（图 4）连续工作数小时，完成了 6 000 m 近海底航行观察、生物调查、海底表层沉积聚成物获取、泥样和水样采集、模拟黑匣子搜索打捞、标识物放置等，最大工作深度 6 001 m ，创造我国 ROV 最大潜深的纪录。
水下滑翔机是一种依靠浮力调整洋流驱动的新
型水下机器人，无螺旋桨推进器，具有长续航力优势。2009 年，“海翼 1000”在国内率先突破海上航行距离 1 000 km 的基础上，2021 年，“海翼 1000”滑翔机海上航行距离已经超过 5 000 km ，最长持续工作 302 天，观测剖面数超过 1 500 条，再次创造我国水下机器人续航力新纪录。
在单体性能提升的基础上，“海翼”水下滑翔机连续开展海洋科考航次集应用。2017 年 7 月，首次开
展多水下滑翔机协同观测任务，创造了当时我国海上连续工作时间最长、航行距离最远、观测剖面数最多的纪录，为开展深海海洋环境精细探测提供了系统解决方案。2019 年，11 台“海翼”水下滑翔机完成西北太平洋中尺度涡旋（冷涡）综合观测。2020 年，
间硝基苯甲酸12 台“海翼”水下滑翔机（图 5）完成印度洋联合海
① 1 HP 约为745.7
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炸薯条机
图4 “海星6000”遥控水下机器人
Figure 4 “Haixing 6000” remotely operated vehicle
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