1.2　研究现状

水下机器人，也称为无人水下潜水器（Underwater Vehicle）或水下航行器，更确切地说，水下机器人是一种水下推进装置，能够在水下危险的环境、人类难以存活的环境中协助或者替换人类完成特殊作业任务，其外形可以像潜水艇，也可以像水下鱼类，根据水下环境的不同，可以采用仿生学设计外形。

水下机器人种类很多，如图1.1所示，按照是否载人可以分为载人潜水器（Human Occupied Vehicle，HOV）和无人潜水器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）[5]。按照与平台或者水面母船的连接方式又可以将无人水下潜水器分为有缆水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和无缆水下机器人（Unmanned Untethered Submersible，UUS）[6]。其中，ROV是通过电缆与水面的母船连接起来的，其动力是从水面上母船获得的，需要人的参与。有缆水下机器人的优点是能够在复杂的海洋中长时间工作，但它存在局限性，电缆限制了有缆水下机器人的运动范围和一定的灵活性。UUS又可分为水下自主航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）和水下滑行器（Autonomous Underwater Glider，AUG）[7]。UUS因为不需要水面母船的支持，不受电缆线的约束，不会受电缆线缠绕拉断问题影响，活动范围变大，使用起来更加方便，在复杂的海洋环境中能够独立地完成水下作业，具有较强的适应性。其中，AUV因其体积小、重量轻、噪声低、隐蔽性好、更加智能化的优点，得到了广泛应用[8-9]。

1.2.1　国外研究现状

目前，西方发达国家在水下机器人领域经过长时间的研究，取得了很多研究成果，拥有了很多先进技术[10]。与其他水下机器人相比，载人潜水器出现得最早，这是在设计潜水球和潜艇微型化的基础上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业。1890年，西蒙·莱克制造了世界上第一台载人潜水器——Argonaut the First，如图1.2所示。图1.3为法国Nautile载人潜水器。从20世纪60年代中期至70年代中期是载人潜水器发展的鼎盛时期，其技术发展得较为成熟，然后逐渐进入低谷[11]。随着计算机技术的发展，美国、俄罗斯、日本等国先后研制出无人潜水器。1960年，美国研制成功了世界上第一台ROV，命名为ROV-CURV1，如图1.4所示，它与载人潜水器配合，在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹，由此引起了极大的轰动，ROV技术开始引起人们的重视。另外，当时发生的石油短缺使得油价提高，刺激着近海石油开发业的发展，同时也促进了ROV的迅猛发展。到了70年代，ROV产业已开始形成，ROV在海洋研究、近海油气开发、矿物资源调查取样、打捞和军事等方面都获得了广泛的应用[12]，是目前使用最广泛、最经济实用的一类潜水器。ROV的最大下潜深度可达1万m。图1.5和图1.6为美国CURV2和CURV3型ROV，这是在ROV-CURV1的基础上不断改进而产生的功能更完善的ROV。

随着电子、计算机等技术的飞速发展，鉴于AUV在海洋工程和军事上的巨大发展潜力，很多发达国家如美国、英国、加拿大、日本都成立了专门的机构研究与开发水下机器人。其中比较有名的研究所有美国麻省理工学院的Sea Grant's AUV实验室、美国佛罗里达大西洋大学的高级海洋系统实验室（Advanced Marine Systems Laboratory）、英国的海事技术中心（Marine Technology Center）等。

第一艘AUV由美国华盛顿大学在20世纪50年代研制出来，命名为SPURV，这艘AUV主要用于水文调查。美国研制的比较有代表性的AUV是由美国海军研究生院自行设计制造，分别为凤凰号（Phoenix）AUV和白羊座号（ARIES）AUV。图1.7是凤凰号AUV，图1.8是白羊座号AUV。这两种AUV主要用于人工智能、控制技术以及军事等领域的研究中，具体可以实现的项目有导航、避障、数据分析、动力运动控制等[13-14]。

英国在1995年研发的AUTOSUB-1 AUV，主要用于海洋环境科学的研究，如图1.9所示。该AUV长6.8m，重1.7t，最大下潜深度为500m，续航时间为50h，截至1999年，已经完成了英国沿海的179项科学项目[15]。

加拿大在水下机器人方面的研究也取得了突破性进展，为了在北冰洋海域铺设海底光缆，研制出了一种水中机器人，命名为Theseus AUV，如图1.10所示。该机器人配备了一块70kW·h的铝氧燃料电池，续航能力达到36h。后来该机器人的能源装置不断升级，到1997年完成第二代电池试验，续航能力较第一代显著提高[16]。

日本近年来研制了多种型号的水下机器人。2003年日本海洋科学技术中心研制出世界上第一艘以燃料电池为动力的AUV，命名为浦岛号，如图1.11所示。专门用于海洋探测的R2 D4是由东京大学研发出来的，如所示，主要利用声纳成像原理对海洋环境进行探测，通过水下拍摄技术获得实物照片，利用机械手对海洋物体进行采样[17]。

1.2.2　国内研究现状

我国的水下机器人技术起步比较晚，20世纪六七十年代，我国的水下机器人研究还处于理论研究的初级阶段，发展至今取得的主要成就来自于蒋新松院士等前辈们的辛勤工作和无私奉献。1980年，蒋新松将“智能机器人在海洋中的应用”作为研究重点。1982年，蒋新松担任总设计师，设计了中国首台水下机器人——“海人一号”，如图1.13所示，为我国水下机器人的研发奠定了基础。AUV在国内的研究基本围绕两个中心进行，一个是以中国科学院沈阳自动化研究所为核心研制出的“探索者”号，如图1.14所示。“探索者”号成功下潜到5300m，初步完成了海底探测地形任务。第二个中心是以哈尔滨工程大学为中心，并与华中理工大学合作研制出“智水”系列的智能水下机器人。此后，我国研发了CR-01，如图1.15所示，在5300m深的海底，成功观察到锰结核，并拍摄了照片。它的两次成功下水印证了我国在水下机器人方面的技术已经进入成熟期。而后进一步研发了CR-02，多次完成深海环境的勘察和测绘工作。如今我国的载人潜水器“蛟龙号”，下载深度已达到载人潜水器的世界最深[18]。这些水下机器人的出现标志着我国研制的智能水下机器人在智能控制技术上达到了世界先进水平。