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2016年3月
目录
1、水下机器人发展概况3
11、水下机器人分类3
12、水下机器人发展历程5
13、国外水下机器人发展状况9
131、美国9
132、欧洲10
133、日本11
14、我国水下机器人发展状况12
15、水下机器人的关键技术14
151、仿真技术15
152、智能控制技术16
153、水下目标探测和识别技术17
154、水下导航（定位）技术17
155、通讯技术18
156、能源系统技术18
2、从军用到民用，从浅海到深海18
21、从军用到民用、应用广泛18
22、从浅海到深，无处不在20
23、未来十年是我国水下机器人发展最关键期22
3、水下机器人的发展目标24
31、向远程发展24
32、向深海发展24
33、向智能型发展24
1、水下机器人发展概况
水下机器人从20世纪后半叶诞生，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，主要运用在海上救援。
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。
在军事斗争中，无人化作战平台将在未来现代化战争中发挥重要的作用，无人舰艇将与无人地面战车、无人飞机一起在战场上进行高效卓越地作战。
另外，无论战争期间还是和平时期，水下机器人还可以定期对航道、训练场、舰艇机动区实施定期或不定期检查，保障这些水域的作业安全。
11、水下机器人分类
广义上水下机器人也可以称作潜水器（UnderwaterVehicles），是一种可以在水下代替人在充满未知和挑战的海洋环境中完成某种任务的装臵，风、浪、流、深水压力等各种复杂的海洋环境对水下机器人的运动和控制干扰严重，使得水下机器人的通信和导航定位十分困难，这是也是它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。
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，随着仿生技术的不断发展，仿鱼类形态甚至是运动方式的水下机器人将会不断发展。
无缆水下机器人代表目前水下机器人的发展趋势。
从种类上看，根据是否载人可以将潜水器分为载人潜水器和无人潜水器两类。
无人潜水器按照与水面支持系统间联系方式的不同可以分为有缆遥控水下机器人（remotelyoperatedvehicle，简称ROV）、无缆水下机器人（autonomousunderwatervehicle，简称AUV））两种。
有缆水下机器人都是遥控式的，根据运动方式不同可分为拖曳式、（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，在一定程度上代表了目前水下机器人的发展趋势。
载人潜水器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，但是人生命安全的危险性增大，由于载人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，这将为潜水器带来体积庞大、系统复杂、造价高昂、工作环境受限等不利因素。
有缆水下机器人（ROV）需要由电缆从母船接受动力，并且ROV不是完全自主的，它需要人为的干预。
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。
由于人们通过电缆对ROV进行遥控操作，电缆对ROV像“脐带”对于胎儿一样至关重要，但是由于细长的电缆悬在海中成为ROV最脆弱的部分，大大限制了机器人的活动范围和工作效率。
无缆水下机器人（AUV）又称自治水下机器人、智能水下机器人，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的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、控制完成复杂海洋环境中的预定任务使命的机器人。
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，它能对观测信息进行加工，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。
12、水下机器人发展历程
从1934年美国研制出下潜934米的载人潜水器到1953年研制出无人有缆遥控潜水器，接着是全世界各国对水下机器人的大力发展，其发展大致经历了三个阶段：
第一阶段：
从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。
先后研制出20多艘潜水器，其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
美国海军1956年研制出的CURV1号机器人在服役期间曾执行数百次使命，其中包括从海底回收100多枚鱼雷。
第二阶段：
1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。
海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。
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、救捞等方面发挥了较大的作用。
第三阶段：
1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。
80年代以来，中国也开展了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，成功地进行水下实行水下实验。
受益近海油气开发大周期，无人有缆遥控潜水器急速放量。
就具体数量上说，无人遥控潜水器的发展非常迅速，从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘；1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展，到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90％以上是直接，或间接为海洋石油开采业服务的；1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110％，这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
而无人无缆潜水器的发展相对慢一些，只研制出26艘，其中工业用的仪8艘，其他的均用于军事和科学研究。
军事及海洋工程的需要及电子、计算机、材料等高新技术的发展也推动70-80年代水下机器人的研制获得迅猛发展。
出现了海底考察、实验、采样、打捞、救助、工程施工等多种用途的水下机器人，工作性能越来越好，工作水深也越来越大。
到2013年，全世界大约共建造了5756台各类水下机器人，其中作业级水下机器人914台、观察型机器人2656台、AUV134台、军事服务型1733台、其余调查型机器人319台。
1974年之后的40年间增长了200多倍。
当今世界各国如美国、英国、法国、意大利、俄罗斯、日本及瑞典等国，都已开发出各种类型的水下机器人，而且各自具有一定的技术优势。
水下机器人已广泛应用于经济及军事等不同领域，它已成为水下观察和水下作业方面最为有效和最具潜力的水下开发工具。
13、国外水下机器人发展状况
131、美国
美国是世界上最早开始研究水下机器人的国家，早在五十年代就开始着手研究，虽然现在其拥有量逐渐被日本和欧洲各国超越，但由于它在水机器人的研究方面由来已久并且一直十分重视，因此在水下机器人技术的应用和研发一直处于世界领先水平。
图表6：
美国具有代表性的水下机器人
132、欧洲
无人遥控潜水器历史要追溯至尤里卡计划。
由英国、意大利联合研制无人遥控潜水器，旨在6000米水深持续工作250小时，比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良得多。
按照尤里卡EU–191计划，还将建造两艘无人遥控潜水器，一艘为有缆式潜水器，主要用于水下检查维修；另一艘为无人无缆潜水器，主要用于水下测量，这项潜水工程计划将由英国、意大利、丹麦等国家的l7个机构参加完成。
法国：
2013年，法国ECA机器人公司研制了一款用于反水雷的轻型水下自主潜航器（AUV）“阿里斯特100s”。
该水下自主潜航器长65英尺，重量只有154磅。
法国海军表示“阿里斯特100s”将成为海军首个水雷战的水下无人机器人，将在浅水区任务、航道作战、港口清理以及海底调查和侦查等方面发挥作用。
“阿里斯特100s”可由操作员在码头或充气艇上控制，其装备有“克莱因”声纳，可以根据需要使用不同工作频率和调整探测范围与图像定义。
法国海军共向ECA机器人公司采购了6艘水下自主潜航器，将装备水雷潜水作战小组。
图表7：
阿里斯特100s
133、日本
日本经过6年努力，1990年完成设计研制出海沟无人潜水器，长3米，重54吨，耗资5000万美元，可以对地形复杂的、情况不明的深海海底展开调查，还可对海底的情况进行摄影和采集海底水质、岩石和土壤等的样品，供科研人员对深海资源的开发与利用进行研究。
图表8：
海沟号
14、我国水下机器人发展状况
我国的水下机器人研究是从立足军事需求起步的。
我国对于水下机器人的研究与开发起步较晚，从七十年代末才开始研究，相比于欧美国家和日本，我国一直处于落后水平。
七十年代末起，中国科学院沈阳自动化研究所和上海交通大学开始从事ROV的研究与开发工作，合作研制了我国第一个ROV“海人一号”ROV，“海人一号”是我国独立自主研发的第一台大型水下机器人。
到目前军用水下机器人已经服役并正在形成系列，特别是6000m深水下机器人的问世，表明我国在此领域已经取得了一定成绩。
图表9：
我国具有代表性的水下机器人
蛟龙号下水
2014年，深海滑翔机、“龙珠”号搭载“蛟龙”号试验、中国第六次北极科考中北极自治遥控潜水器（ARV）在西北太平洋采薇海山海区开展深海试验应用，并首次获取了“蛟龙”号在大洋深处的工作影像。
“龙珠”号是国家“863”计划资助下自主研制的深海微型水下机器人，空气中重量仅有40公斤，配有3部电动推进器，通过一根光纤与“蛟龙”号相连，由“蛟龙”号球舱内的潜航员遥控控制，并且自带摄像机，可进行水下观察和录像，与“蛟龙”号互补形成更全面的观测能力。
在水下工作期间，“龙珠”号与“蛟龙”号按照预先规划的协同作业流程“分工协作”“默契配合”，完成了相互之间互动拍摄、“龙珠”号的释放与回收等预定工作任务，也验证了两种不同类型的潜水器在水下优势互补、协同作业的新模式。
图表10：
蛟龙号
北极ARV助力科考
北极的海冰在不断地移动旋转，为得到精确的冰下位臵信息，须将海冰的运动信息反馈到机器人上，以获取精确的导航信息。
北极ARV水下机器人能够在高纬度下实现了对冰下海冰物理特征、水文和光学特性等的自主精确同步观测，为我国北极科考提供了一种大范围的先进、连续、实时的冰下观测技术手段。
新一代北极ARV通过水下机器人携带光通量测量仪的观测，可连续测量出海冰吸收的太阳辐射能的空间变化，估算出同纬度更大范围海冰对太阳辐射能的吸收，以此计算出太阳辐射对该纬度北极海冰融化的贡献。
同时更加“小巧玲珑”，其体积和重量均减少一半，有助于在现场作业时设备的吊装和运输；同时将推进器方位进行了重新布臵，增强了航行的机动性，使其在冰下航行更加灵活，更便于冰洞下潜与回收。
另外，通过水下机器人测量得到的冰厚图,可以反映出冰底的粗糙度，从而分析出海水对冰的影响等。
在未来，根据科考需求，进一步增大作业范围，增加部分搭载设备以及机器人功能。
预计2016年进行的我国北极科考，北极ARV还将积极争取参与。
图表11：
北极ARV
15、水下机器人的关键技术
水下机器人是一种技术密集性高、系统性强的工程，涉及到的专业学科多达几十种，主要包括仿真、智能控制、水下目标探测与识别、水下导航（定位）、通讯、能源系统等六大技术。
图表12：
水下机器人六大技术
水下机器人一旦突破技术瓶颈，进口替代空间广阔。
但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的差距较大，致使国产水下机器人的实际应用受到限制，目前国内在不同领域的应用客户许多是购买或租借国外现有产品，不仅价格高、配套服务难，而且有些产品并不适合中国海区的使用特点，机动性、抗流能力及作业能力都显不足。
151、仿真技术
由于水下机器人的工作区域是不可接近的海洋环境，其复杂性决定了真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。
为此在水下机器人的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分：
平台运动仿真。
按给定的技术指标和水下机器人的工作方式，设计机器人平台外形并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。
一旦建立运动数学模型、确定边界条件后，就能用水动力参数和工况进行运动仿真，解算各种工况下平台的动态响应。
如果根据技术指标评估出的平台运动状态与预期存在差异,则通过调整平台尺寸、重心浮心等技术参数后再次仿真,直至满足要求为止。
控制硬、软件的仿真。
控制硬、软件装入平台前，先在实验室内对单机性能进行检测，再对集成后的系统在仿真器上做陆地模拟仿真试验，并评估仿真后的性能，来降低在水中对控制系统调试和检测所产生的巨大风险。
内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。
另外，上述所需的仿真器主要由模拟平台、等效载荷、模拟通讯接口、仿真工作站等组成。
图表13：
仿生水下机器人
152、智能控制技术
智能控制技术旨在提高水下机器人的自主性，其体系结构是人工智能技术、各种控制技术在内的集成，相当于人的大脑和神经系统。
软件体系是水下机器人总体集成和系统调度，直接影响智能水平，它涉及到基础模块的选取、模块之间的关系、数据（信息）与控制流、通讯接口协议、全局性信息资源的管理及总体调度机构。
153、水下目标探测和识别技术
目前，水下机器人用于水下目标探测与识别的设备仅限于合成孔径声纳、前视声纳和三维成像声纳等水声设备。
合成孔径声纳是用时间换空间的方法、以小孔径获取大孔径声基阵的合成孔径声纳，非常适合尺度不大的水下机器人，可用于侦察、探测、高分辨率成像，大面积地形地貌测量等。
前视声纳组成的自主探测系统是指前视声纳的图像采集和处理系统，在水下计算机网络管理下自主采集和识别目标图像信息，实现对目标的跟踪和对水下机器人的引导。
通过不断的试错，找出用于水下目标图像特征提取和匹配的方法，建立数个目标数据库。
特别是在目标图像像素点较少的情况下，较好的解决数个目标的分类和识别。
系统对目标的探测结果，能提供目标与机器人的距离和方位，为水下机器人避碰与作业提供依据。
三维成像声纳，用于水下目标的识别，是一个全数字化、可编程、具有灵活性和易修改的模块化系统。
可以获得水下目标的形状信息，为水下目标识别提供了有利的工具。
154、水下导航（定位）技术
用于自主式水下机器人的导航系统有多种，如惯性导航系统、重力导航系统、海底地形导航系统、地磁场导航系统、引力导航系统、长基线、短基线和光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统等，由于价格和技术等原因，目前被普遍看好的是光纤陀螺与多普勒计程仪组成推算系统，该系统无论从价格上、尺度上和精度上都能满足水下机器人的使用要求，国内外都在加大力度研制。
155、通讯技术
目前的通讯方式主要有光纤通讯、水声通讯。
光纤通讯由光端机（水面）﹑水下光端机﹑光缆组成。
其优点是数据率高（100Mbit/s），很好的抗干扰能力。
缺点是限制了水下机器人的工作距离和可操纵性，一般用于带缆的水下机器人。
水声通讯由于声波在水中的哀减慢，对于需要中远距离通讯的水下机器人，水声通讯是唯一的、比较理想的一种方式。
实现水声通讯最主要的障碍是随机多途干扰，要满足较大范围和高数据率传输要求，需解决多项技术难关。
156、能源系统技术
水下机器人、特别是续航力大的自主航行水下机器人对能源系统的要求是体积小、重量轻、能量密度高、多次反复使用、安全和低成本。
目前的能源系统主要包括热系统和电-化能源系统两类。
热系统是将能源转换成水下机器人的热能和机械能，包括封闭式循环、化学和核系统。
其中由化学反应（铅酸电池、银锌电池、锂电池）给水下机器人提供能源是现今一种比较实用的方法。
电-化能源系统是利用质子交换膜燃料电池来满足水下机器人的动力装臵所需的性能。
该电池的特点是能量密度大、高效产生电能，工作时热量少，能快速启动和关闭。
但是该技术目前仍缺少合适的安静泵、气体管路布臵、散热、固态电解液以及燃料和氧化剂的有效存储手段。
21世纪燃料电池将极大地改变人们的生活和企业环境。
随着生产成本、稳定性等课题得到解决，燃料电池可望成为水下机器人的主导性能源系统。
2、从军用到民用，从浅海到深海
21、从军用到民用、应用广泛
和许多高科技的发明一样，水下机器人最早也是应用于军事领域。
1966年CURV1号在西班牙海域成功打捞一枚氢弹，使之声名大噪，而水下机器人也是由此第一次真正走向世界。
以目前军事实力最强大的美国海军为例，根据美国海军的《无人驾驶水下运载工具总体规划》，美国海军应该研制和部署4种不同级别的水下机器人，以适应不同的作战要求。
具体级别分类如下：
图表14：
美军水下机器人
预计到2020年，美军将拥有1000套水下机器人，届时将成为一支战斗力不容小觑的水下无人舰队。
水下机器人各司其职，分别承担九大作战功能，分别如下：
图表15：
美军水下机器人九大功能
军用使得水下机器人声名大噪，而民用才是它们最终的舞台。
早在20世纪80年代，水下机器人开始广泛应用于海上石油开采，据统计，这一时间段内，有一半新增的水下机器人是应用于此。
截至2013年，全世界的水下机器人中，仅有三分之一不到是军事用途。
同时，在国外，水下检测修理技术已发展成为一门成熟的技术，并且不断扩大应用范围，在船舶修理方面已能解决船舶水线以下部位的清洗、除锈、涂装，故障部位钢板的焊接、切割或更换，水下装臵的修理或更换等多方面的故障。
图表16：
水下机器人的应用范围
22、从浅海到深，无处不在
地球上海洋总面积约为36亿平方公里，约占地球表面积的71%，目前为止，人类已探索的海底只有5%，还有95%大海的海底是未知的。
具体再分为洋和海，洋是海洋的中心主体部分，世界大洋的总面积，约占海洋面积的89%，大洋的水深，一般在3000米以上，最深的马里亚纳海沟可达11000多米；而海则是在洋的边缘，是大洋的附属部分，海的面积约占海洋的11%，海的水深比较浅，平均深度从几米到2-3千米。
我国海域面积达473万平方公里，几乎达到我国陆地面积的一半，而我国海域平均深度961米，最深处达5377米。
图表17：
地球面积分布
图表18：
中国海洋数据
就海洋资源来讲，海洋不仅为人类提供了丰富的食物资源，同时还有大量的能源矿产，其中最重要的就是油气田和锰结核。
据探测结果表明海底可开采的油气储量高达1300亿吨，而世界上各大洋锰结核的总储藏量约为3万亿吨，其中包括锰4000亿吨，铜88亿吨，镍164亿吨，钴48亿吨，分别为陆地储藏量的几十倍乃至几千倍。
而这些资源往往都在深海（油气2000~3000米，锰结核4000~5000米），因此对深海探索技术以及水下机器人的要求将会很高。
23、未来十年是我国水下机器人发展最关键期
国家海洋局《中国海洋发展报告（2014）》，中国海洋经济将由不成熟逐渐走向成熟，增长方式将从粗放型向集约型过渡，海洋资源利用效率将大幅度提高，海洋经济对国民经济的贡献率仍将逐步上升，到2020年海洋生产总值占GDP比重超过12%，到2030年，这一比重超过15%。
2014年全国海洋生产总值59936亿元，比上年增长77%，海洋生产总值占国内生产总值的94%。
其中，海洋产业增加值35611亿元，海洋相关产业增加值24325亿元。
海洋第一产业增加值3226亿元，第二产业增加值27049亿元，第三产业增加值29661亿元，海洋第一、第二、第三产业增加值占海洋生产总值的比重分别为54％、451％和495％。
据测算，2014年全国涉海就业人员3554万人。
图表19：
2010-2014年我国海洋产业生产总值
而分行业来看，选取了与水下机器人最相关的三个行业海洋油气业、海洋渔业以及海洋矿业，海洋渔业海洋渔业整体保持平稳增长态势，海水养殖产量稳步提高，远洋渔业快速发展。
全年实现增加值4293亿元，比上年增长64%。
海洋油气业海洋油气产量保持增长，但受国际原油价格持续下跌影响，增加值减少。
海洋原油产量4614万吨，比上年增长16%，海洋天然气产量131亿立方米，比上年增长113%。
全年实现增加值1530亿元，比上年下降59%。
海洋矿业海洋矿业较快增长，全年实现增加值53亿元，比上年增长130%。
英国能源咨询机构道格拉斯威斯特伍德在其《水下机器人投资市场预测》中预测2013~2017年工作级水下机器人项目总投资额将达97亿美元，较过去5年的投资额增长将近80%。
一旦水下机器人打开海洋渔业应用领域，市场空间巨大。
目前水下机器人在油气业中的应用比较普遍，而在渔业上还没有得到广泛的运用。
水下机器人在渔业上的应用相比油气业有两大优势，首先渔业的海水深度浅，因此在技术的难度将大大减少，操作也简单；其次渔业更关心的是海水温度、含盐量等生态信息，对海底的地形作业要求难度也有所降低，因此一般的小型水下机器人就能满足作业要求。
我国海洋渔业的总产值是海洋油气业的两倍多，空间巨大。
3、水下机器人的发展目标
31、向远程发展
太阳能自主水下机器人能解决远程续航问题。
智能水下机器人向远程发展的技术障碍有三个：
能源、远程导航和实时通信。
目前正在研究的各种可利用的能源系统包括一次电池、二次电池、燃料电池、热机及核能源。
开发利用太阳能的自主水下机器人是引人注目的新进展，太阳能自主水下机器人需要浮到水面给机载能源系统再充电，并且这种可利用的能源又是无限的。
32、向深海发展
发展优化6000水深技术成为许多国家的目标。
海洋资源大多存储于深海，6000米以上水深的海洋面积占海洋总面积的97％。
因此许多国家把发展6000水深技术作为目标，美国、日本、俄罗斯等国都先后研制了6000米级的UUV。
美国伍兹霍尔海洋研究所研制成深海探测潜器“ABE”，可在水深6000米的海底停留一年；日本1993年研制了工作水深为11000米的深海无人潜器“海沟号”；中国的潜龙一号也具备了6000米深度的作业能力。
33、向智能型发展
增加水下机器人行为的智能水平一直是各国科学家的努力目标。
但是由于目前的人工智能技术不能满足水下机器人智能增长的需要。
因此，一方面不能完全依赖于机器的智能，更多地依赖传感器和人的智能，打造监控型水下机器人。
另一方面，发展多机器人协同控制技术，也是今后增加自主水下机器人智能的重要发展方向。
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