浅谈深海水下自主式无缆潜航器的发展及应用

刘晓宇

摘 要：文章讨论了国内外深海水下自主式无缆潜航器（AUV）的国内外发展现状，并对主流产品及我国研制的主要成果的性能参数、主体尺寸、主要功能及使用场景等进行了介绍。并着重对深海AUV在目标搜寻、地质勘探及深海探测等方面的应用着重进行了分析。结合目前深海AUV的发展现状提出了其远程化、智能化及模块化的发展方向。

关键词：深海AUV 水下应用 6000米

随着各国对海洋资源和各类海洋权益的逐渐重视，水下机器人的发展得到了越来越广泛的重视，其在水下的应用也日趋广泛。通常水下机器人依据其控制方式的不同可分为：自主式水下无缆潜航器（AUV） 和有缆遥控水下机器人（ROV）。AUV其自身带有供电系统，依靠内部电池进行水下的工作，可執行大范围高精度的水下探测搜寻，但其作业时间、数据传输、作业持续性受到一定的限制；ROV依靠所连接的电缆提供动力并进行数据及其他信息的传输，水下作业时间较长，可实现数据的实时传输，但作业范围受限。

世界上第一台AUV自20世纪50年代问世以来经过了60多年的发展，随着计算机技术、电子科技技术、水下通信技术、材料科学及电池技术的迅速发展，AUV在性能、续航力、功能方面得到了迅猛的突破。目前在国际范围内6000米深水AUV已经得到了多方面的应用，各国也在深水AUV的研制和开发上步入了快速发展的道路。

1.深海AUV的发展现状

1.1 国外AUV的研究成果及现状

目前国外所研制的深海AUV主要包括美国Hydroid公司的Bluefin-21（图1）、英国南安普顿国家海洋中心（NOC）的Autosub 6000（图2）、加拿大ISE公司的EXPLORE（图3）、挪威Kongsberg公司的REMUS（图4）及HUGIN、法国ECA公司的A6K（图 5）及冰岛GAVIA公司的Sea Raptor（图6），各产品的性能参数如表1所示。部分产品目前已在世界范围内得到广泛应用。其中Bluefin-21及HUGIN AUV曾参与马航MH370的水下搜寻，REMUS AUV曾成功找到法航447的发动机残骸，Autosub 6000也多次在印度洋热液区执行科学考察任务。其他国家的AUV多为新研制产品，海上实际应用案例较少。

1.2 国内AUV的研究成果及现状

国内第一台AUV的研制工作开始于20世纪90年代，并于1994年11月将研制成功的首台1000米级AUV——“探索者”号投入使用。“探索者”AUV为中国863计划863-512子计划的项目之一，由中国第702研究所联合数十所研究和教育机构联合开发。

在探索AUV的基础上，沈阳自动化研究所、中船重工第七〇二研究所联合国内多家科研机构，同俄罗斯共同成功研制了我国首台6000米级AUV——CR-01，相比上代AUV其具有更高的定位精度。随后在CR-01 AUV的基础上又成功研制了CR-02 AUV，并将其成功应用于海洋矿物调查 。

“十二五”期间，沈阳自动化研究所作为主要研究机构，在CR-02 AUV的基础上成功研制了“潜龙一号”AUV，与上代AUV相比，在AUV的回收上做出了巨大改进，“潜龙一号”AUV在其工作母船上加装了自动回收系统，从而改进了以前需要作业人员挂钩才可回收AUV的作业方式。在“潜龙一号”AUV的基础上，沈阳自动化研究所研制了多台潜龙系列AUV，包括4500米级“潜龙二号"”和“潜龙三号”。各产品的性能参数如表2所示。

2.深海AUV的应用现状

2.1 深海海洋资源勘探及开发

随着人类社会的高速进步及发展，陆上资源开发速度逐步激增，各国纷纷将资源开发的视线转向水下，人类可开发利用的海洋资源种类及数量逐步增多。各国对水下资源开发的不断加速，未来水下资源的勘探开发将逐步由浅水转向深水。深海水下矿产资源如多金属结核、富钴结壳、多金属硫化物、富稀土沉积物等多分布在数千米水深的海底区域，天然气水合物也多分布在几百至几千米的区域。深海水下资源的勘探对社会的发展具有重要的意义，而深海AUV必将在水下资源勘探过程中发挥重要作用。

2.2 深海水下搜救

深海水下搜救是深海AUV的一个重要应用方向，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。在马航MH370及法航447的水下搜寻中深海AUV发挥关键作用。荷兰辉固公司曾使用英国Kongsberg公司的HUGIN AUV用于马航MH370水下搜寻；美国军方也曾使用Bluefin Robotics的Bluefin-21 AUV搜寻马航失联客机；英国Kongsberg公司生产的REMUS AUV曾成功搜寻到法航447的发动机残骸。深水AUV因其作业可靠，智能程度高成为了深海水下搜救的首选工具。

2.3 水下地形测绘

目前水下地形的测绘主要依靠多波束测深系统，在应对水深较浅的水下地形勘测任务中，船载多波束测深系统均可获得分辨率较高的水下地形图。但在深水区域，受到水深影响，即使是开角较小的深水多波束在深水情况下会由于传播距离的增加导致其分辨率相对较差，无法获得高精度的水下地形图。深海AUV可在距离海底较近的高度进行作业，因此其可获得高精度的深海水下地形图像。

3.深海AUV的未来的发展方向

3.1 远程化

深海AUV在水下作业过程中其主要动力来源是所搭载的电池模块，依据其搭载的探测装置及工作状态不同，其在水下的工作时间也存在较大差别。多数深海AUV的水下续航时间均可达到24h，但随着电池技术的不断发展，深海AUV的续航力将得到持续提升。续航力的提升，可使AUV在单次布放后获得更为庞大的水下数据从而提升深海AUV的水下作业效率。

3.2 智能化

深海AUV的智能化程度决定着其在水下作业过程中的安全性，并在一定程度上影响其作业效率。AUV在水下作业过程中对相应风险及应急情况的处理机制和决策机制是未来AUV发展的重要方向之一，随着人工智能技术的发展，自主学习和自主决策能力将在深水AUV上得以应用，以保障深水AUV在水下的作业安全。

3.3 模块化

目前的深水AUV多搭载多重类型的探测设备，如相机、多波束测深系统、侧扫声纳、浅地层剖面仪及温盐深传感器等，多类型探测设备的搭载可保障AUV可应对不同的作业需求。但这在一定程度上增加了AUV本身的负载，从而降低使用效率。模块化的探测装置可保障AUV在应对不同作业需求时快速进行设备的更换，同时减轻AUV自身重量，提高作业效率。

【基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0306003）】

参考文献：

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[2]李一平，李硕，张艾群.自主/遥控水下机器人研究现状[J].工程研究-跨学科视野中的工程，2016， 8（02）： 217-222.

[3]李硕，刘健，徐会希，赵宏宇，王轶群.我国深海自主水下机器人的研究现状[J].中国科学：信息科学，2018， 48（09）：1152-1164.

[4]李一平，燕奎臣.“CR-02”自治水下机器人在定点调查中的应用[J].机器人，2003（04）： 359-362.