水下机器人测试及相关机构介绍

陈元杰，葛锐，孔新雄，赵群

(浙江省计量科学研究院，浙江杭州310013)

0 引言

随着“蛟龙号”载人潜器的入水及其7000 m 下潜深度的完成，海洋尤其是深海探测不断地进入普通大众的视野，也越来越激起人们对海洋、对海底探测的兴趣。海洋是人类生命的起源，覆盖了地球近四分之三的面积，海洋的各类生物、矿物、油气资源也必将成为未来人类发展的源泉，因此，海洋、海底探测刻不容缓。如果把“蛟龙号”比作外空探测的载人飞船，那么，水下机器人就是外空探测的卫星，是海洋探测不可或缺的重要工具。

当前水下机器人的种类很多，从是否载人来分，可以分为载人潜器和无人潜器两大类［1-2］，“蛟龙号”就是一种载人潜器，无人潜器就是常规意义上的水下机器人。而水下机器人根据是否有母缆与母船连接，可分为有缆水下机器人或称为遥控型水下机器人(Remote Operated Vehicle，简称ROV)及无缆水下机器人或称为自治型水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。此外，按使用的目的分，可分为探测型水下机器人以及作业型水下机器人［3-5］。为验证水下机器人的性能及质量水平，必须对水下机器人进行相应的性能测试和试验，以验证是否满足预期设计要求。对水下机器人性能的测试和试验有利于促进水下机器人技术的发展，推进海洋探测水平的进步。

1 水下机器人测试的主要内容

目前国内水下机器人测试还没有相应的标准及规范，国外对水下机器人的测试也是各个公司、研究所根据内部的测试需求而制定。从水下机器人的组成及其相应的功能来看，水下机器人测试主要包含以下几个部分［6-8］:

1.1 水下机器人总成测试

水下机器人总成测试为水下机器人综合性能测试，主要包括整机尺寸，负载能力测试，正向、横向、垂直方向推力测试，最高航速测试，最大能耗测试等几方面内容。其中，整机尺寸通过相应的长度计量器具进行测量得到;负载能力测试通过在水下机器人上方加特定重量的负载，得到使其能浮在水面上的最大重量;各个方向的推力测试，可通过在水下机器人各个方向施加一束缚力(拉力传感器)，将水下机器人向各个方向全力推进，即可得到正向、横向、垂直方向的最大推进力;最高航速测试通过采用测速仪或在特定距离计时的方法测得;最大能耗测试则在水下机器人全力推进及所安装的所有耗能附件全开的情况下，对其输入功耗进行测试，得到最大功耗［9］。

1.2 水下机器人螺旋桨推进器测试［10］

推进器是水下机器人的动力源，推进器的功能决定了水下机器人在水下的活动能力。对螺旋桨推进器的性能测试包括桨叶外径测量、转速测试、系桩推力测试等几方面。实际测试时，测试得到推进器转速-推力-功耗曲线即可。

1.3 水下机器人机械手性能测试

作业型水下机器人常带有机械手对水下目标物进行作业，因此必须对水下机器人配备的机械手进行测试。机械手的测试包括最大伸距、全伸长持重、运动范围、手爪开度等几方面。其中，全伸长持重通过将机械手持重测试用特定砝码后，伸长到最长距离即可;机械手运动范围通过将机械手上下、左右运动，得到其最大运动尺度［11-12］。

1.4 其他性能测试

此外，还需对水下机器人的观察距离、摄像头安装云台的运动角、补偿器的高压仓功能、最大水深耐压能力等进行测试，以得到完整的水下机器人的性能参数。

2 水下机器人测试国内相关机构介绍

水下机器人性能测试主要在测试水池系统中进行，在水池中进行水下机器人动力、搭载能力、功耗、航速等性能的测试。目前国内的测试水池系统基本上都和船舶模型的水动力测试共用，很少有专门为水下机器人及其核心部件测试用的测试系统，因而测试的代价很大。目前国内主要有以下几个机构在开展水下机器人、船舶等各类水中运动体性能测试:

2.1 上海交通大学水下工程研究所

上海交通大学水下工程研究所主要进行水下作业技术与装备、深海无人遥控潜水器、新概念水下机器人以及共性基础性技术的研究。该实验室拥有配套的深水实验室，深海压力环境模拟装备体系，ROV 装配车间和设计工作室，以及各种潜水器试验平台，是国内较少研制、测试水下机器人的机构之一。其深水实验室中建有一个50 m×40 m×10 m 测试水池，水深可在0 ～10 m 范围内调节，该水池可对水下机器人的整机航速、推力、功率等性能进行测试。其深海压力环境模拟装备体系可模拟4000 m 水深的海洋压力环境，可对水下机器人关键部件在深海压力下的抗压能力进行测试。水下机器人的其他一些性能测试在ROV 装配车间及设计工作室中进行［13-14］。测试实验室如图1所示。

图1 上海交通大学海洋工程国家重点实验室船舶测试系统

2.2 中国科学院沈阳自动化研究所水下机器人研究室

中科院沈阳自动化所是国内外有影响的研究与开发水下机器人并形成产品的科研实体之一，我国第一台有缆遥控潜水器和第一台无缆自治水下机器人都是在这里诞生的。其水下机器人研究室(现为海洋技术装备研究室)主要从事水下机器人的研究、技术开发、生产和示范应用，具备齐全、先进的水下机器人试验设备和条件，拥有长20 m，宽12 m，深9 m 的试验水池以及相配套的各种调试、吊装设备和仪器仪表、环境试验装置等，可进行各种水下机器人整机调试和功能试验［15-16］。此外，该实验室对水下作业型机器人搭载的机械手也有一定的研制及测试能力，具有水下七功能机械手的研究测试能力。

图2 为沈阳自动化所科研人员进行水下机器人测试相关实验。

图2 沈阳自动化所水下机器人测试实验

2.3 哈尔滨工程大学智能水下机器人国防重点实验室

哈尔滨工程大学智能水下机器人国防重点实验室拥有一座设施配套、技术先进、功能齐全的深水试验水池，搭建了设施完善、技术先进的测试研究平台。该实验室在水下机器人的系统设计与集成、智能规划与控制、水下导航与定位、水下目标的探测与识别等方面的研究促进了我国水下机器人技术的发展。其深水试验系统如图3所示，水池长50 m，宽30 m，水深10 m［17］。该实验室可在该深水试验系统的基础上进行水下机器人整机性能测试，包括航速、推力、定位等，以及螺旋桨推进器敞水性能测试等水下机器人相关性能测试，处于国内领先水平。

图3 智能水下机器人国防重点实验室水下机器人试验场地

2.4 浙江大学海洋装备试验技术浙江省工程实验室

浙江大学海洋装备试验技术浙江省工程实验室是主要定位为水下机器人性能测试的实验室。该实验室主要包括4 个检测科室，分别为:①观察型遥控水下机器人运动检测室;②观察型遥控水下机器人配件检测室;③水下机械手检测室;④水下声光传感与通讯检测室。目前该实验室尚处于建设当中，相关硬件设施全部到位，并已起草相关水下机器人测试的标准，上报国家相关部门批准，是国内专注于水下机器人性能相关测试较为领先的机构。该机构拥有长宽深为20 m×5 m×4.5 m 的水下机器人测试小型水池，并在该水池附近布置相应的测速、测力、测功率、螺旋桨测试、机械臂性能测试的相应传感器及装置，能对水下机器人性能进行一站式的测试，较好地完成水下机器人性能的测试要求。如图4 为其测试现场。

图4 海洋装备试验技术浙江省工程实验室水下机器人测试现场

此外，国内还有一些拥有类似测试系统的机构，如上海船舶运输科学研究所、中国船舶及海洋工程设计研究院、华中科技大学船舶与海洋工程学院等。虽然目前已有像沈阳自动化所、上海交通大学水下工程研究所［18］、浙江大学海洋装备试验技术浙江省工程实验室等机构开展针对水下机器人的测试、试验研究，但是大多相关机构还是以测试海洋船舶相关性能为主，很少或未开展水下机器人性能测试的研究，而已开展水下机器人测试的机构，很多也是由船舶测试系统改造过来，设备较为大型，测试代价较高。

3 水下机器人测试国外相关机构介绍

国内的一些水中运动体测试系统由于主要测试对象为船舶及其配套设备，而不是专门为水下机器人性能测试搭建的(除个别外)，其规模都很大，因而测试的代价较高。国外有一些小型的专门用于水下机器人及其配件性能测试的系统，这些测试系统为国外水下机器人技术的发展给予了强有力的支持。

3.1 美国麻省理工大学海洋工程系水池试验系统［19－20］

该系统主要用来对水下机器人性能进行测试研究，拥有随机波浪制造机、激光感应装置和数据采集系统等设备，按照水下机器人测试所需要的条件进行设计，能较好地进行水下机器人全性能参数测试。如图5所示为其利用拖曳系统对水下“鱼形”机器人进行相关测试，验证其相关性能。

图5 麻省理工大学海洋工程系水下机器人测试系统

3.2 美国伍兹霍尔海洋研究所海洋应用物理与工程研究室

伍兹霍尔海洋研究所海洋应用物理与工程研究室主要开展海洋装备、水下潜器、海底观测系统等的研究，国际上享有盛名的载人水下机器人“阿尔文号”就是该机构设计的。此外该机构还设计有遥控型水下机器人“JASON”，自治型水下机器人“SENTRY”等水下机器人。该机构由于临近海边，并且拥有较为成熟的水下机器人测试技术，其测试、试验一般在海洋中进行［21］。如图6 为该研究所的工程师对作业型水下机器人JASON 号进行的相关性能测试。测试项目包括整机性能测试、俯仰及船艏角度测试、推进器性能测试、机械手作业能力测试、动力定位能力测试、摄像机观测能力测试、通讯及相应能力测试等内容。

图6 美国伍兹霍尔海洋研究所JASON 号水下机器人性能测试

3.3 英国Saab Seaeye 公司

英国Saab Seaeye 公司是国际顶尖的遥控型水下机器人制造商，其研制有10 款左右针对不同应用需求的遥控型水下机器人，从小型的观测性水下机器人Falcon到大型综合型作业型水下机器人Jaguar，目前有500 余台水下机器人销往世界各地。Saab Seaeye 公司对于水下机器人的研发、生产制造、性能测试等有一套较为成熟的体系，是当今水下机器人商业化的典范。Saab Seaeye 公司的工厂位于英国汉普郡的法汉姆，该工厂拥有顶尖的水下机器人设计实验室、生产车间和室内水下机器人测试水池系统［22-23］。在水下无刷电机推进器、Led 水下机器人探照灯、水下机器人云台、水下机器人动力控制系统方面都有较为成熟的研制技术和测试手段，保证了其在该领域的领先水平。如图7 为该公司在法汉姆的室内测试水池，在该水池中可进行水下机器人多项关键性能的测试。

图7 Saab Seaeye 公司水下机器人测试系统

从上述水下机器人测试国外现状可知，凡是拥有先进水下机器人研制技术的机构，都有一套与之匹配的专门的测试系统，来不断完善水下机器人的性能。然而，相比于国外先进的水下机器人制造及测试技术，国内水下机器人的测试研究处于起步阶段，除上述少数研究机构外，更多的是关注于船舶相关性能的测试，而对于海洋探测的先驱“水下机器人”的研究和测试，国外的研究机构更具有针对性，并具有成熟的产品和测试手段，这是值得国内水下机器人研究机构学习和提高的。

4 结语

综上所述，随着人们对海洋领域的日益关注以及海洋技术的发展，水下机器人将在海洋水下探测、作业、援救中发挥越来越大的作用。而水下机器人测试技术作为水下机器人性能的保障，也必然成为水下机器人设计、试验、改造中至关重要的一个环节。完善的测试体系、科学的测试方法、良好的测试条件是保证水下机器人出厂、正常进行水下工作的前提。

虽然目前国内的水下机器人性能及其性能测试技术还不如国外的一些专门的研究所与高科技公司，但是从水下机器人测试的内容与设备上看已经较为接近，也有如浙江大学海洋装备试验技术浙江省工程实验室开始起草相应的水下机器人测试国家标准。在国家重视海洋，支持海洋经济、海洋工程技术发展的背景下，国内的水下机器人测试技术将会越来越与国际接轨。

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