深海潜水器研究现状与展望

朱大奇， 胡 震

(1.上海海事大学 水下机器人与智能系统实验室，上海 201306；2.中国船舶科学研究中心 深海载人装备国家重点实验室,江苏 无锡 214082)

引 言

海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第二大空间，是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地，作为人类探索海洋和维护海洋权益的大国重器，深海潜水器DUV(Deep sea underwater vehicle，DUV)将发挥着重要而不可替代的作用。

图1 深海潜水器分类

深海潜水器是运载各种电子装置、机械设备和人员快速精确地到达各种深海环境，进行高效勘探、科学考察和开发作业的装备[1]。潜水器包括载人潜水器(Human Occupied Vehicle，HOV)、无人潜水器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)和其他深海勘查设备(如深海水下滑翔机和深海拖曳测绘系统等)三类。其中无人潜水器又称水下机器人，按无人潜水器与母船之间有无电缆连接，又分为有缆摇控潜水器ROV(Remotely Operated Vehicle)和无缆自治潜水器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)。有缆摇控潜水器ROV按其在水下运动方式不同，可将其分为浮游式无人潜水器，拖曳式无人潜水器，爬行式无人潜水器和附着式无人潜水器；无缆自治潜水器AUV按其智能程度，又可以分为预编程、监控型和完全智能型。随着无人潜水器技术的发展，近些年又出现了一些新型无人潜水器，如自治—遥控混合型无人潜水器ARV(Autonomous & Remotely-operated Vehicle)，它是将ROV和AUV的某些特性结合在一起的新型无人潜水器，通过光纤进行通信、自带电源，除去光纤可以作AUV使用，加上光纤又具有ROV功能。图1为深海潜水器分类关系图。

1 深海潜水器研究现状

1.1 载人潜水器

作为国之重器的深海载人潜水器HOV，以其有人驾驶、近距离直接观察与操作的特性，已成为深海装备研究的热点之一，美国、法国、俄罗斯、日本和中国等纷纷加入到HOV研发之中[2]，其中，法国的“鹦鹉螺号”HOV作业水深达6000米，已下潜1700多次；日本“深海6500”HOV已调查水深达6500米的海洋斜坡及大断层；美国“阿尔文号”HOV是世界上下潜次数最多、最为成熟的深海载人潜水器，目前正积极开发下潜深度6500米的“新阿尔文号”HOV；俄罗斯研制的“和平1号”、“和平2号”是世界上唯一一对可配合作业的载人潜水器；中国船舶科学研究中心(即中国船舶重工集团公司第702研究所)深海载人装备国家重点实验室研制的“蛟龙号”7000米级深海载人潜水器，是目前世界上下潜最深的载人潜水器，但“蛟龙号”HOV许多关键部件依赖进口，国产化率较低。2017年10月同样由中国船舶科学研究中心研制完成的4500米“深海勇士号”载人潜水器弥补了这一缺陷，其国产化率达到90%以上，“深海勇士”号的载人舱、浮力材料、深海锂电池、机械手、水声通信系统等都是自主研制，大大提高了海洋装备科技的国产化水平，也为中国未来全海深科考奠定坚实基础。表1给出了全球4500米深度以上载人潜水器型号与主要技术参数。

表1 全球4500米以上载人潜水器(HOV)的对比情况

1.2 无人潜水器

无人潜水器是一种能在水下浮游或在海底行走，具有观察能力和使用机械手或其他工具进行水下作业的装置。从机器人学的角度看，无人潜水器属于特种机器人范畴，在海洋工程界，无人潜水器通常也称为水下机器人(Underwater Vehicle)[3]。

1.2.1 有缆遥控无人潜水器[4-5]70年代由于海上石油开采及军事等的需要，使ROV(Remotely operated vehicles)技术得到迅猛发展，并且渐渐形成了一个新的产业部门：ROV工业。大约在1975年，在观察型商业化的缆控无人潜水器：RCV-125问世后，世界上有关ROV产品不断出现，典型的如日本KAIKO无人潜水器(图2(a))以及法国VICTOR 6000无人潜水器(图2(b))等。目前，ROV型号已达几百种，全世界有超过400家厂商提供各种型号的ROV和其零部件。ROV的最大下潜深度已经达到11000米，可以说ROV的工作范围几乎达到全部的海洋空间。

近些年，国外已有多种型号的缆控无人潜水器作为成熟的商业产品销往国内。如美国OUTLAND技术公司的OUTLAND1000，如图2(c)所示，它配备了各种传感器，如深度计﹑声纳系统、罗经等；4个推进器(2个进退推进器、1个横移推进器、1个潜浮推进器)及计算机视觉系统。采用框架式结构，为系统升级和加装各种附件提供了充足的空间。其主要性能如下：长宽高为65cm×37cm×26cm，重量约为17.7千克，最大潜水深度为300米，航行速度为0～3节，可调负载为2.3千克。

加拿大SEAMOR300无人潜水器，如图2(d)所示，配备了深度计﹑高度计、声纳系统、罗经及计算机视觉系统等，4个推进器成对称排列，与水平面成近45度角，框架式结构，最大潜水深度为300米，航行速度为0～3节，可调负载为3千克。

英国FALCON和FALCON DR系列产品，如图2(e)所示，下潜深度达300米至1000米，以FALCON为例，300m耐压水深,8.5kg载荷，脐带缆最长450m，可升级到1100米，5个磁耦合无刷直流推进器，水平面4个矢量推进器和1个垂直推进器，具有速率反馈功能，分布式智能控制系统，功能较齐全的传感器系统和多功能机械手等作业系统。

法国ECA HYTEC公司H300 MKII ROV为浅水型ROV，如图2(f)所示，它的工作水深300m,负载能力8kg,能搭载众多传感器，如：Micron DST扫描声纳，深度计﹑罗经及计算机视觉系统等；并配备功能强大5功能液压机械手BMHLK-4300；4个磁耦合无刷直流推进器，最大推力达到17.3kg。

(a)KAIKO

(c)OUTLAND1000

(d)SEAMOR300

(f)H300

图2 各类ROV设备

1.2.2 自治无人潜水器[5-6]自治无人潜水器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与系统集成等技术应用于传统载体上,在与母船之间没有物理连接,无人驾驶的情况下，依靠自身携带的动力以及机器智能自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。

由于自治无人潜水器具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性能好等优点，所以从60年代中期起，工业界和军方开始对其发生兴趣。但是，由于当时技术上难度太大，这使得无缆自治无人潜水器研究在低水平上徘徊多年。70年代中期，微电子技术、计算机技术、人工智能技术及通信导航技术的迅速发展，再加上海洋工程和军事活动的需要，国外工业界和军方再次对自治无人潜水器发生兴趣。

目前，美国是世界上AUV研究中心，也是世界上AUV研究机构最多的国家。仅美国海军主要研制无人潜水器的单位就包括：美国海军水下作战中心、美国海军研究局、美国海军海洋系统中心、美国海军空间和海战系统中心、美国国防高级研究计划局和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室、美国海军研究生院等。此外，还有华盛顿大学、美国麻省理工学院、Woods Hole海洋研究所、通用动力公司和雷声公司、洛克希德导弹和宇航公司、佩里技术公司等。

另外，英国、德国、法国、瑞典、丹麦、挪威等许多欧洲国家在AUV研制与应用方面也有出色的表现。如德国海军研制一种用于反潜战的水下无人潜器——TCM/TAU 2000鱼雷对抗系统。该系统主要由探测设备及信号处理装置、指挥控制装置、发射集装箱、4个铰接盖板和TAU效应器组成，能进行全方位的区域侦察，作战系统信号处理时间短、反应速度快；由于采用了模块化设计，该系统能很容易地装配到209、212级潜艇上。另外，德国公司开发的名为“深海”C(Deep C)的新型AUV，续航时间60小时，潜深达4000m，直径1m，重约2000kg，他们在Deep C上使用许多新技术，包括碳纤维增强塑料、缩微燃料电池、长航时水下导航系统等。

(a)Odyssey IV

(c)AUTOSUB

(d)ALIVE

(f)Nereus

图3 各类AUV设备

图3(a)为美国麻省理工学院研制的Odyssey IV号AUV；图3(b)为美国Woods Hole海洋研究所研制的ABE号AUV；图3(c)为英国南安普顿海洋研究中心研制的鱼雷形状的AUTOSUB号AUV；图3(d)为法国Cybernextix公司研制的ALIVE号AUV。

特别需要介绍的是美国“蓝鳍金枪鱼机器人”公司的“Bluefin-21”AUV在2014年搜寻马航MH370失联客机过程中发挥了重要作用。它可以潜入水下4500米深处，在配置相关声呐后能以最高7.5厘米的分辨率搜寻水下物体，其标准参数为：长493厘米、直径53厘米、重750公斤，潜水深度4500米，最大航速4节(1节等于每小时1.852千米)。在标准负载和3节航速下，其续航能力为25小时。它可根据需要装载多种探测设备，如410千赫侧扫声呐系统等。图3(e)为“Bluefin-21”AUV。

近年来，伍兹霍尔研究所积极开发新型的深海潜水器，如海神号(Nereus)自治遥控混合型HROV无人深海潜水器，其工作水深达11000米，其在2009年5月于马里亚纳海沟完成10902米水深的下潜试验，可以覆盖地球上任意深度的海域。图3(f)为海神号HROV。令人惋惜的是，2014年5月10日海神号在探索新西兰克马德克海沟时，因深海水压故障而解体。

另外，前苏联于上世纪70年代就开始了AUV的研制工作，尽管冷战期受到西方技术封锁，缺少先进的电子和计算机技术设备，但前苏联在AUV的研制方面仍然取得了一定的成果并积累了相当丰富的经验。90年代中期建造的几个AUV就在太平洋、大西洋和挪威海域成功地进行了深海搜索和回收工作。前苏联在深海潜水器结构材料方面也取得了突出的研究成果，在钛合金加工制造和焊接方面居世界先进水平，国产“蛟龙号”7000米载人潜水器壳体就是采用苏制钛合金加工制造。此外，在发展复合材料、陶瓷材料方面也取得了很大成就，这些技术对其他国家发展AUV起到了促进作用。苏联解体后，这些优势主要被俄罗斯所继承。目前，俄罗斯在国际市场上积极出售AUV产品和相应技术，中国和韩国就向俄罗斯购进了有关技术，并合作开展了AUV的研制。

在亚洲，日本的无人潜水器技术也占有重要地位，主要用于地震预报和海洋开发(如：水下采矿、海底石油和天然气的开发等)方面，参与部门和机构包括日本科学技术中心、国际贸易工业部、运输部、建设部、机器人技术协会、日本深海技术协会等。另外，韩国Daewoo重工业公司的船舶海洋研究所同俄罗斯海洋研究所合作，共同研制了名为OKPL-6000的自治无人潜水器，形状像鱼雷，主要用于深海探测、搜索与观察海底沉没物体和科学研究。该AUV长3.8m，直径0.7m，重980kg，最大工作深度6000m，最大巡航速度3kn，续航力10小时，动力采用银锌蓄电池，推进系统采用四个电动推进装置。OKPL-6000 AUV已进行了多次深海考察试验，记录了大量的图像、视频资料和海底地图。

1.2.3 国内深海潜水器研究[7-8]近几十年来，国内深海潜水器的研究已取得长足进步，主要围绕以下几个中心来进行。

一是以中科院沈阳自动化所为核心,由中船重工集团702所、中科院声学所、哈尔滨工程大学等单位合作。沈阳自动化研究所通过建立机器人示范工程基地，已开发出多种型号的无人潜水器产品，应用于水下观测、海上作业、救捞工程、水下安保等。图4是上世纪90年代到21世纪初，中科院沈阳自动化所与俄罗斯合作，开发了CR01和CR02两套AUV系统，并进行了海试，但最终未投入实际应用。

图5(a)是中科院沈阳自动化所2012年12月自主研制的“潜龙一号”AUV，“潜龙一号”是一个长4.8米、宽0.8米的回转体。它可以在水下6000米处以2节的速度巡航，连续工作24小时，得到多次实际的深海作业应用；2015年12月在6000米级“潜龙一号”的基础上，针对多金属硫化物矿区需求，研制出“潜龙二号”AUV系统，如图5(b)所示，它在机动性、避碰能力、快速三维地形地貌成图、浮力材料国产化方面均有较大提高；2018年4月中科院沈阳自动化所进一步推出功能更加齐备、国产化率更高的“潜龙三号”AUV，如图5(c)所示，和“潜龙一号”和“潜龙二号”相比，“潜龙三号”展现了出色的稳定性和可靠性，各项技术指标都有新的突破，如最大续航力达到总航程157千米，航行时间43小时，最大速度达到3节，并具备各类水下工作模式。

(a)“潜龙一号”AUV

(c)“潜龙三号”AUV

图5 潜龙系列AUV

二是以上海交通大学为核心，联合浙江大学、青岛海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位，共同协作研制出多款无人遥控潜水器。图6是下潜深度达3500米的作业型“海龙号”ROV；图7是下潜深度达4500米的作业型“海马号”ROV，值得一提的是“海马号”4500米ROV系统是我国迄今为止工作水深和系统规模最大、国产化率达90%以上的无人遥控潜水器。项目在ROV本体结构、液压动力和推进、浮力材料、作业机械手和工具、导航定位、控制软硬件、升沉补偿装置、加工制造和总体集成等关键技术的国产化方面取得了重要突破，目前已完成4500米深海试验，并投入实际应用。

图6 “海龙号”ROV

图7 “海马号”ROV

图8 “蛟龙”号HOV

图9 “深海勇士”号HOV

三是以中国船舶重工集团公司第七〇二研究所(中国船舶科学研究中心)为核心，以沈阳自动化所，浙江大学，中科院声学所，华中科技大学等为合作单位，主要是研制深海载人潜水器。2012年研制成功的潜深7000米载人潜水器(“蛟龙”号)，创造了世界上载人潜水器最深下潜记录，并通过了7000米海试实验和多次作业应用，现已交付国家深海基地管理中心(青岛鳌山)进行社会化营运，取得了举世瞩目的成就。图8为“蛟龙”号7000米载人潜水器海试情况；2017年6月中国船舶科学研究中心，再次研发出可靠性更高、国产化率达到90%以上的4500米级“深海勇士号”载人潜水器，目前，该潜水器已完成海试，并交付中科院三亚深海科学研究中心运营，图9为“深海勇士”号4500米载人潜水器。另外，以中国船舶科学研究中心为牵头单位的全海深(11000米)深海载人潜水器，也于2016年10月得到科技部重大研发计划的立项，预计2021年将进行全海深水下试验。

四是以哈尔滨工程大学为中心，由中国船舶重工集团702所、709所、华中科技大学等单位合作，研制出三型军用智能无人潜水器和用于各种特定功能的无人潜水器。

另外国内不少高校及研究所也从事这一方面的研究，主要有西北工业大学、浙江大学、天津大学、哈尔滨工业大学﹑中科院自动化研究所、华中科技大学、中国海洋大学、上海海洋大学及上海海事大学等。

2 深海潜水器关键技术

由于深海环境极为复杂，潜水器自身的非线性、强耦合、有限载荷等影响，使得深海潜水器研发与应用极具挑战性。为了实现深海潜水器水下作业的可靠有效应用，首先需要突破深海潜水器的诸多关键技术，如水下环境感知与地图构建技术、水下路径规划与安全避障技术、水声通信与导航定位技术、水下轨迹跟踪控制技术、水下目标探测与识别技术、潜水器故障自诊断与容错控制技术及大规模水下搜索时的多潜水器协作搜救控制技术等。

2.1 水下环境感知与地图构建技术[9-10]

对潜水器水下作业来说，水下环境信息的获取与感知是其智能决策的前提，水下环境感知与地图构建对于深海潜水器水下作业来说至关重要。即如何应用潜水器自身携带的环境感知传感器识别出环境中的障碍物、自由航行区域，进而构建一有无障碍物的水下环境二维和三维离散地图。有此环境地图，潜水器就可以按照地图栅格的性质，规划水下航行路径，完成水下作业。水下环境感知与地图构建包含两方面内容：一是如何选择合适的水下感知传感器，二是如何应用传感器获取的信息进行地图生成与更新。

由于海洋环境复杂,获取水下目标信息的手段十分有限,目前水下目标探测的主要传感器有：微光TV、激光成像和声纳传感器。微光TV的图像清楚,但受海水能见度影响很大,总的来说可识别的距离太近，实际应用中难以满足要求；激光成像是在近几年发展起来的新方法,比较适合潜水器使用，其体积、重量和所需功耗都较小,成像质量远高于声学成像并类似于微光TV,作用距离比TV远,同时可提供较准确的距离信息，然而要满足对水下目标识别的要求,仍然有不少技术难关需攻克；声学传感器(声纳)在水中作用距离远,又有一定的分辨率,所以是目前水下环境感知与地图构建的主要传感器。

对水下环境地图构建来说，目前主要采用水下传感器信息融合方法。常见的方法可以分为3类：贝叶斯法(Bayes)、模糊逻辑和D-S(Dempster-Shafer)证据理论。贝叶斯法(Bayes)以概率密度函数为基础，综合水下传感器的各种信息，来描述水下环境的状态，进行障碍物与搜索区域分类，原理简单明了，Bayes方法主要不足在于：先验概率定义困难，需要对应的且互不相容的假设，缺少分配总的不确定性的能力；模糊逻辑方法是利用模糊集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解决障碍物与传感器信息之间的不确定关系，进而实现障碍物的检测，构建水下环境地图。这种方法计算简单，应用方便，结论明确直观。但在模糊逻辑融合方法中，构造隶属函数是实现模糊决策的前提，由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素；另外，对特征元素的选择也有一定的要求，如选择不合理，决策结果的准确性会下降，甚至造成地图构建失败。

D-S(Dempster-Shafer)证据理论是Dempster和Shafer在70年代提出的不确定信息处理方法，是对概率论的扩展。它建立了命题和集合之间的一一对应，把命题的不确定性问题转化为集合的不确定性问题，而证据理论处理的正是集合的不确定性。对于具有主观不确定性判断的多属性决策问题，D-S证据理论是一个融合主观不确定性信息的有效手段，也是目前水下环境地图构建的重要方法之一。

2.2 水下导航与通信技术[11-13]

2.2.1 水下导航定位系统 导航系统功能是实时提供潜水器的位置、速度及姿态信息，也是潜水器水下作业的关键技术之一。潜水器导航系统，一般可以划分为一般导航和终端导航。一般导航是把潜水器引导到目标附近；终端导航是接近目标之后，能使潜水器的视野触及到局部感兴趣的海底目标。但由于深海潜水器非线性动力学特性及水介质的特殊性等因素的影响,实现深海潜水器的远距离及长时间、大范围内的精确导航是一项艰难的任务。

目前主要的导航方式是:基于外部信号的非自主导航和基于传感器的自主导航。非自主导航：如罗兰、奥米加、GPS等。但罗兰、奥米加导航精度低、覆盖面积有限，而GPS是具有较高精度的导航设备，只是它为基于无线电的导航方式，由于电磁波在水中很快衰减，潜水器必须不断浮出水面接受导航信号，对深海潜水器来说在许多情况下是无法实现的，因此受到很大限制。

自主导航：靠潜水器自身携带的装备如惯性测量装置(IMU)、声换能器阵、地形匹配或地磁传感等手段完成导航。它分为惯性导航(Inertial navigation)、声学导航(Acoustic navigation)和地理导航(Geophysical navigation)。惯性导航的基本原理是,根据加速度计与速率陀螺的测量值,用积分方法推算出位置，即所谓的航位推算法，位置的修正常用到卡尔曼滤波器(Kalman filter)和扩展卡尔曼滤波器(Extended kalman filter)技术，前者针对线性系统，后者针对非线性系统，惯性导航系统目前尚缺少精确可靠的速度传感器，其在远距离作业中，由于累积误差的存在不够精确；随着声纳技术的进步,出现了声学导航技术，声学导航主要依靠母船、海底和潜水器上的声波发射器、水听器、水声应答器等设备，实现长基线定位航行(LBL:Long baseline)、短基线定位航行(SBL:Short baseline)、超短基线定位航行(USBL:Ultra-short baseline)，通过标志物位置，结合声波在水中传输的速度与接受时间间隔计算定位深海潜水器的位置，声学导航定位有一定的定位精度，但它们受到定位距离与传感器安装网络的限制，一般来说，在深水环境中，长基线定位大约在10千米范围，超短基线定位在4千米左右。

另外，地理导航也是目前研究较多的深海潜水器导航方法，它可分为地形导航和地磁导航，前者是根据潜水器作业环境的物理特征得到位置信息，后者是根据地磁场进行潜水器水下导航。

2.2.2 潜水器水下通信技术 对潜水器与母船之间的通信技术来说，有缆无人潜水器可以用电缆进行信息传输，无缆潜水器的信息传输目前是通过水声通信实现的。由于无线电信号在水中传输会出现严重衰减，通常只能传播很短距离，如果要进行远距离传送，往往要求非常低的频率(30-300Hz),并且需要巨大天线和非常高的传输功率，这在水下环境中是无法实现的。

在迄今所熟知的各种能量形式中，虽然水下声波通信由于衰减小受到研究者普遍关注，声波是深海潜水器可以进行远程信息传输的主要载体。但水声通信也存在需要克服的问题，水声信道存在有效带宽窄、传播时延长、误码率高的特征，且有效带宽与传输距离、传输频率具有一定的相关性，一个远自几千米的长距离水声点对点通信，有效带宽仅有几千赫兹，而对于一个几十米的短距离点对点水声通信，有效带宽可达几百千赫兹；另外，声波在水中传输还受到水中温度、盐度、洋流及季节的影响，速度约1500米/秒，比无线电波低五个数量级，致使水声通信的时延非常大。因此，研究快速、准确、方便的深海潜水器的水下信息通信传输技术，也是深海潜水器研究的重要内容之一，特别是对多潜水器水下协作作业意义更加特殊。

2.3 水下路径规划及安全避障技术[14-21]

由于海洋深处工作环境的复杂性，不可预测性，潜水器要实现高效水下作业任务，必须具备自动规划水下航行路径功能，且能够有效避开障碍物。目前移动机器人路径规划技术虽然得到了较为深入的研究，取得了一系列的研究成果。但深海潜水器路径规划与安全航行的研究成果却非常有限。和地面移动机器人路径规划研究相比，水下环境与一般地面环境有本质的区别，首先，地面环境可以不考虑气流对机器人运动的影响，但水下环境中海流的影响很大，而且海流还是动态时变的；其次，在地面移动机器人路径规划中，可以应用多种传感器进行目标探测与识别，而深海潜水器由于本身载荷及深海作业环境的限制，传感器资源较少(主要是声纳识别)，这必然影响潜水器对目标和障碍物的准确判定；最后，和地面环境相比，水下噪音的干扰也更频繁、更严重。这一切使得深海潜水器水下路径规划比地面路径规划更加复杂困难。

目前潜水器路径规划与避障技术研究主要集中在以下两方面：一是潜水器多目标路径规划算法。目前的移动机器人路径规划大多是考虑单目标、多障碍物的规划问题。但潜水器水下作业常常是一个多目标(多任务)的规划，它需要观察多个不同地点的水域目标，同时AUV是自带动力，能源受到限制，必须在最短时间内完成多目标点作业，因此，多目标路径规划就是要保证AUV到达所有目标点的路径最优、时间最短；二是潜水器全覆盖路径规划。对深海潜水器来说，其每一个具体观察目标(水域)和周围可能存在一个或多个障碍物，这些障碍物既有静态的(如海底的礁石、海沟、禁止航区等)，也有动态障碍物(如其它潜水器、移动的冰山等)。针对这种特殊的水下海洋环境，如何设计出潜水器全覆盖路径规划方法，有效避开障碍物，是深海潜水器水下作业的另一个重要问题。这里面包含具体有效的规划算法、水下避障技术及路径规划的“死区”(deadlock situation)问题等。

目前的深海潜水器路径规划的具体方法可以分为传统的路径规划方法和现代路径规划策略。前者主要包括模板匹配路径规划技术、人工势场路径规划技术、地图构建路径规划技术等，后者主要是人工智能路径规划技术，是将现代人工智能技术应用于机器人的路径规划之中,如人工神经网络、进化计算、模糊逻辑与信息融合等。

2.4 水下轨迹跟踪控制技术[22-29]

跟踪控制问题是深海潜水器研究的一个重要方面，它主要包括了路径跟随(path following)与轨迹跟踪(trajectory tracking)两个方面，两者的主要区别在于跟踪轨迹是否与时间相关，前者参考轨迹与时间无关，后者与时间相关，路径跟随可以看做是轨迹跟踪的一种特例，因此以轨迹跟踪问题更具挑战性，近年来已引起了许多控制领域专家、学者的注意，但目前仍有不少问题未得到很好解决。

导致深海潜水器难于控制的主要因素包括：(1)潜水器高度的非线性和时变的水动力学性能；(2)负载的变化引起重心和浮心的改变；(3)附加质量和运动惯性较大；(4)海流的干扰等；这些因素使得潜水器的动力学模型难以准确获取，而且具有强耦合和非线性的特点，常规的基于模型的控制策略难以满足控制要求。另外，当潜水器因其力学性能变化和所处的环境发生改变而引起控制性能下降时，要求潜水器的控制系统具有自调节和自适应的鲁棒能力。

通常潜水器的基本控制方式有PID控制、滑模控制、自适应控制、神经网络控制和模糊逻辑控制等几种。PID控制为经典控制策略，对潜水器的模型精度要求较高；神经网络控制的优点是充分考虑到了潜水器的强非线性和各个自由度之间的耦合性,能够跟踪学习系统自身或外围环境的缓慢变化，其缺点是不仅结构和参数不易确定,而且存在样本获取困难，学习训练时间较长、实时性较差的缺陷；模糊控制器的设计比较简单,而且稳定性也较好,但是众多的模糊变量以及隶属度函数的选取需要有丰富的操纵经验,在实际海上试验中,调试时间往往是有限的,过于复杂的参数调整制约了模糊控制技术在潜水器运动控制中的应用；变结构控制对具有不确定性动力学系统来说，是一种重要的方法，不严格的说，对于状态空间的一个特定子空间的参数变化和外部扰动，变结构控制具有完全或较高的鲁棒性，因此在一些场合比较适合潜水器控制，但变结构滑模控制解并不唯一，最大的缺点是在控制过程中会出现抖振现象，从而限制了它的应用。

2.5 水下目标探测与识别技术[30-32]

对深海潜水器水下作业来说，水下目标信息的获取是其智能决策的前提，水下目标的探测与识别对于水下作业来说至关重要。水下目标的探测与识别技术主要包含两方面内容：一是水下目标信息获取，二是水下目标信息处理与识别算法。如前所述，由于海洋环境复杂,获取水下目标信息的手段十分有限,目前水下目标探测的主要传感器有：微光TV、激光成像和声纳传感器。而其中声纳传感器使用较为广泛。基于声纳传感器水下目标自动识别技术可分为利用声回波信号进行目标识别和利用声图像进行目标识别两大类。20世纪60年代开始,美国、日本、法国、加拿大、英国等国家相继推出利用声回波信号进行目标识别的潜用声纳目标分类系统、海岸预警系统、信号分析专家系统等。这些系统利用回波信号的频谱、强度、包迹等特性,采用模糊规则、神经元网络算法构成分类器。其分类的目标主要是水面舰船或潜艇。

声纳成像技术的发展使基于声图像的目标识别成为水下目标识别的主要方法之一。该方法主要用于近距离区分水雷等小目标。其难点在于:首先,相对于光在空气中的传播,水中传播的声波要受到更严重的干扰；其次,水声信道的时变和空变性,对其中传播的声信息产生各种复杂的作用；另外,为保证获取图像的分辨率,成像声纳的中心频率都在几百千赫以上,但是海水介质对声波能量的吸收随其中心频率的增长以平方次增长,并伴有传播中的体积扩散,这就使高频声波能量在海水中损失较大。由于这些原因,使得水声图像与普通光学图像相比,具有干扰大、分辨率低、像素信息少等缺点。

到目前为止,还没有成熟的基于声纳图像的目标识别理论框架。目前普遍采用的方法是,根据特定水下目标声纳图像的特点,预处理借鉴光学图像的处理方法并进行一定程度的修改,分类识别算法多采用基于模板的投票法、神经网络分类技术和模板匹配技术。因此，准确有效的水下目标探测与自动识别技术研究仍为潜水器水下作业的重要方向之一。

2.6 潜水器故障诊断与容错控制技术[33-44]

由于海洋深处工作环境的复杂性，不可预测性，深海潜水器一旦出现故障，不仅无法完成水下作业任务，而且潜水器本身有时也无法回收，损失巨大，因此其可靠性技术研究与设计显得尤为关键。有关潜水器水下作业时因故障丢失事故时有发生，早期如日本“海沟”号(KAIKO)深海潜水器故障。“海沟号”是日本海洋科技中心1986年开始研制，于1990年完成设计并开始制造，长3米，重5.6吨，耗资1500万美元，为有缆遥控式无人潜水器，上面装备有复杂的摄像机、声纳和一对采集海底样品的机械手，是当时世界上惟一下潜深度达到7000米的深海潜水器。2003年5月29日，日本科学家利用“海沟”号在日本高知县东南大约130公里左右的海域进行海底调查作业时，“海沟”号因电缆断裂而不知去向。操作人员连续用方位测定器向“海沟”号发射了多次信号，但控制船没有接收到“海沟”号的任何信号。“海沟”号失踪使不少科学家痛心不已，对日本的深海科研来说，这次的损失无法估量。一些科学家甚至将“海沟”号比作航天界的“哥伦比亚”号，他们认为，这个价值几千万美元的探测器是独一无二的，它的失踪对科学研究是一个重大损失。

近期如2014年5月造价800万美元，由美国伍兹霍尔(Woods Hole)海洋研究所设计建造的“海神号”(Nereus)无人潜水器，在新西兰东北部的克马德克海沟(Kermadec Trench)探险时因本体水压故障，完全解体，不仅经济损失巨大，而且沉重打击国际海洋探测事业。类似事件在许多国家研制潜水器过程中都出现过，国内也同样出现过多次类似事件。

为了提高深海潜水器系统的可靠性，需要从两个方面加强努力：一是深海潜水器的结构可靠性或说硬件的可靠性，取决于潜水器机械、材料、密封等诸多技术的进步；二是潜水器控制系统的可靠性技术。即复杂控制系统的故障诊断与容错控制技术，目前已得到了较为深入的研究，取得了一系列的研究成果，特别是在航空航天系统、核电站系统上已有许多成功应用。但深海潜水器故障诊断与容错控制研究成果却非常有限，还未见到系统化的深海潜水器故障诊断与容错控制理论报道，也未见到实用有效的商业产品问世。因此，深海环境中潜水器故障诊断与容错控制研究仍为潜水器研究的关键技术之一。

2.7 总体设计与仿真技术[45-46]

2.7.1 总体设计 深海潜水器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，各学科之间彼此互相牵制，单纯地追求单项技术指标，就会顾此失彼。解决这些矛盾除有很强的系统概念外，还需加强协调，在满足总体技术要求的前提下，各单项技术指标的确定要相互兼顾，包括潜水器整体结构设计、传感器系统布置、推进器系统布置与外形设计等。如潜水器的外形设计，大多采用低阻的流线型体，结构尽可能采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料。但在潜水器整体设计中，仍然需要不断优化，利用有限的空间资源实现最大的作业功能。

2.7.2 仿真技术 潜水器工作在复杂的海洋环境中，由智能控制完成任务。由于工作区域的不可接近性，使得对真实硬件与软件体系的研究和测试比较困难。为此在潜水器的方案设计阶段，要进行仿真技术研究，内容为两部分，一是平台运动仿真：按给定的技术指标和潜水器的工作方式，设计潜水器平台外形并进行流体动力试验，获得仿真用的水动力参数。在建立运动数学模型、确定边界条件后，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，根据技术指标评估平台的运动状态，如有差异,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。二是控制硬、软件的仿真：在水中对控制系统的调试和检测具有很大的风险，因此有必要在控制硬、软件装入平台前，在实验室内先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。内容包括动密封、抗干扰、机电匹配、软件调试。根据结果，进行修改和完善。因而需研究和开发一套用于控制系统仿真的仿真器。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。在仿真器上对控制系统的仿真，可以减少海试时的调试工作量，避免由海中不确定因素带来的麻烦。

3 深海潜水器的应用与发展

深海潜水器已广泛应用于包括海洋工程、港口建设、海洋石油、海事执法取证、科学研究和海军防务等诸多领域，用以完成水下搜救、探测打捞、深海资源调查、海底线管敷设与检查维修、水下考古、电站及水坝大坝检测等各项工作。目前市场对潜水器的需求分观察探测型和作业型两种。观察型配备有水下电视和照相设备，针对水下特定目标进行定期观察和检查；作业型可针对不同的要求，还配备前视声纳、侧扫声纳、海底绘图、海底剖面等设备和各种机械手等，进行水下作业。

3.1 深海潜水器应用

3.1.1 海洋资源的研究和开发 占地球表面积71%的海洋是一个富饶而远未得到开发的资源宝库，也是兵戎相见的战场。21世纪，人类面临人口膨胀和生存空间、陆地资源枯竭和社会生产增长、生态环境恶化和人类发展的三大矛盾挑战，要维持自身的生存、繁衍和发展，就必须充分利用海洋资源，这是无可回避的抉择。对人均资源匮乏的我国来说，海洋开发更具有特殊意义。因此，深海潜水器将在海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究中发挥重要作用。

3.1.2 深海搜索与救助 深海水下搜救既是潜水器的重要应用领域，也是现代智能信息处理的重要应用领域，是一多学科交叉的高新技术，基于无人潜水器的深海水下搜救术已成为航运与海洋工程领域的研究热点。早在1963年就有美国“阿尔文”号与“科夫”号无人潜水器协作搜寻、打捞出西班牙海沟失落氢弹的成功案例；2014年初的马航MH370失联客机水下搜救中，“蓝鳍金枪鱼”号自治无人潜水器在4500米的深海进行了大规模水下搜索，虽然由于未知原因，仍未找到失联客机，但毫无疑问无人潜水器是深海搜救的首选工具，甚至是唯一选择，同时也表明深海潜水器水下搜救的困难与挑战性。

3.1.3 未来战争中的作用 零伤亡是未来战争中的选择，因而使得无人武器系统在未来战争中的地位倍受重视，其潜在的作战效能越来越明显。作为无人武器系统重要组成部分的无人潜水器能够以水面舰船或潜艇为基地，在数十或数百里的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯，将大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间，如我国在南海多次捕获到的无人自主潜水器，就是某国从公海投放的进行水下测绘作业的潜水器。

另外，对AUV来说，它们能够更安全地进入敌方控制的危险区域，能够以自主方式在战区停留较长的时间，是一种效果明显的兵力倍增器。更重要的是，在未来的战争中，“以网络为中心”的作战思想将代替“以平台为中心”的作战思想，潜水器将成为网络中心站的重要节点，在战争中发挥越来越重要的作用。目前世界各国重点研究的应用包括：水下侦听、反潜战、情报收集、监视与侦察、目标探测和环境数据收集及多AUV水下围捕与对抗等。

3.2 深海潜水器发展趋势

3.2.1 向远程发展 目前的深海潜水器航行能力还有限，阻碍智能潜水器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。开发利用太阳能的无人潜水器是引人注目的新进展，太阳能自主潜水器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。

3.2.2 向深海发展 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水深技术作为一个目标。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一种深海探测潜器“ABE”，可在水深6000米的海底停留一年，还有日本可以深潜11000米的“海沟号”ROV；在我国国内已经完成3000米级、4500米级、6000米级(7000米HOV)的无人潜水器和载人潜水器研发，在“十三五”将完成万米全海深无人与载人深海潜水器研发，并投入实际应用。

3.2.3 向智能型发展 增加潜水器的智能水平一直是各国科学家的努力目标。但是目前的潜水器智能水平还较低，因此需要将现代的人工智能技术引入到潜水器研发中来，发展真正的智能潜水器(智能水下机器人)，是今后的一个重要发展方向，如深度学习技术在水下机器人中应用，使AUV具备自学习、自决策能力。

3.2.4 向共融型发展 共融机器人技术是现代机器人系统的重要发展方向之一。针对深海航行器HOV、ROV、AUV和AUG等系统，深入研究水下共融潜水器系统，如潜水器—水下环境共融、潜水器—潜水器共融、人—潜水器共融等，从而实现潜水器高效水下作业应用，如水下搜索、多UUV协作与跟踪围捕等。