淺談深海水下自主式無纜潛航器的發(fā)展及應(yīng)用

劉曉宇

摘 要：文章討論了國內(nèi)外深海水下自主式無纜潛航器（AUV）的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并對主流產(chǎn)品及我國研制的主要成果的性能參數(shù)、主體尺寸、主要功能及使用場景等進(jìn)行了介紹。并著重對深海AUV在目標(biāo)搜尋、地質(zhì)勘探及深海探測等方面的應(yīng)用著重進(jìn)行了分析。結(jié)合目前深海AUV的發(fā)展現(xiàn)狀提出了其遠(yuǎn)程化、智能化及模塊化的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：深海AUV 水下應(yīng)用 6000米

隨著各國對海洋資源和各類海洋權(quán)益的逐漸重視，水下機(jī)器人的發(fā)展得到了越來越廣泛的重視，其在水下的應(yīng)用也日趨廣泛。通常水下機(jī)器人依據(jù)其控制方式的不同可分為：自主式水下無纜潛航器（AUV） 和有纜遙控水下機(jī)器人（ROV）。AUV其自身帶有供電系統(tǒng)，依靠內(nèi)部電池進(jìn)行水下的工作，可執(zhí)行大范圍高精度的水下探測搜尋，但其作業(yè)時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸、作業(yè)持續(xù)性受到一定的限制；ROV依靠所連接的電纜提供動力并進(jìn)行數(shù)據(jù)及其他信息的傳輸，水下作業(yè)時(shí)間較長，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，但作業(yè)范圍受限。

世界上第一臺AUV自20世紀(jì)50年代問世以來經(jīng)過了60多年的發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子科技技術(shù)、水下通信技術(shù)、材料科學(xué)及電池技術(shù)的迅速發(fā)展，AUV在性能、續(xù)航力、功能方面得到了迅猛的突破。目前在國際范圍內(nèi)6000米深水AUV已經(jīng)得到了多方面的應(yīng)用，各國也在深水AUV的研制和開發(fā)上步入了快速發(fā)展的道路。

1.深海AUV的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外AUV的研究成果及現(xiàn)狀

目前國外所研制的深海AUV主要包括美國Hydroid公司的Bluefin-21（圖1）、英國南安普頓國家海洋中心（NOC）的Autosub 6000（圖2）、加拿大ISE公司的EXPLORE（圖3）、挪威Kongsberg公司的REMUS（圖4）及HUGIN、法國ECA公司的A6K（圖 5）及冰島GAVIA公司的Sea Raptor（圖6），各產(chǎn)品的性能參數(shù)如表1所示。部分產(chǎn)品目前已在世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。其中Bluefin-21及HUGIN AUV曾參與馬航MH370的水下搜尋，REMUS AUV曾成功找到法航447的發(fā)動機(jī)殘骸，Autosub 6000也多次在印度洋熱液區(qū)執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)。其他國家的AUV多為新研制產(chǎn)品，海上實(shí)際應(yīng)用案例較少。

1.2 國內(nèi)AUV的研究成果及現(xiàn)狀

國內(nèi)第一臺AUV的研制工作開始于20世紀(jì)90年代，并于1994年11月將研制成功的首臺1000米級AUV——“探索者”號投入使用。“探索者”AUV為中國863計(jì)劃863-512子計(jì)劃的項(xiàng)目之一，由中國第702研究所聯(lián)合數(shù)十所研究和教育機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)。

在探索AUV的基礎(chǔ)上，沈陽自動化研究所、中船重工第七〇二研究所聯(lián)合國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)，同俄羅斯共同成功研制了我國首臺6000米級AUV——CR-01，相比上代AUV其具有更高的定位精度。隨后在CR-01 AUV的基礎(chǔ)上又成功研制了CR-02 AUV，并將其成功應(yīng)用于海洋礦物調(diào)查 。

“十二五”期間，沈陽自動化研究所作為主要研究機(jī)構(gòu)，在CR-02 AUV的基礎(chǔ)上成功研制了“潛龍一號”AUV，與上代AUV相比，在AUV的回收上做出了巨大改進(jìn)，“潛龍一號”AUV在其工作母船上加裝了自動回收系統(tǒng)，從而改進(jìn)了以前需要作業(yè)人員掛鉤才可回收AUV的作業(yè)方式。在“潛龍一號”AUV的基礎(chǔ)上，沈陽自動化研究所研制了多臺潛龍系列AUV，包括4500米級“潛龍二號"”和“潛龍三號”。各產(chǎn)品的性能參數(shù)如表2所示。

2.深海AUV的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 深海海洋資源勘探及開發(fā)

隨著人類社會的高速進(jìn)步及發(fā)展，陸上資源開發(fā)速度逐步激增，各國紛紛將資源開發(fā)的視線轉(zhuǎn)向水下，人類可開發(fā)利用的海洋資源種類及數(shù)量逐步增多。各國對水下資源開發(fā)的不斷加速，未來水下資源的勘探開發(fā)將逐步由淺水轉(zhuǎn)向深水。深海水下礦產(chǎn)資源如多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、富稀土沉積物等多分布在數(shù)千米水深的海底區(qū)域，天然氣水合物也多分布在幾百至幾千米的區(qū)域。深海水下資源的勘探對社會的發(fā)展具有重要的意義，而深海AUV必將在水下資源勘探過程中發(fā)揮重要作用。

2.2 深海水下搜救

深海水下搜救是深海AUV的一個(gè)重要應(yīng)用方向，早在 1963 年就有美國“阿爾文”號與“科夫”號無人潛水器協(xié)作搜尋、打撈出西班牙海溝失落氫彈的成功案例。在馬航MH370及法航447的水下搜尋中深海AUV發(fā)揮關(guān)鍵作用。荷蘭輝固公司曾使用英國Kongsberg公司的HUGIN AUV用于馬航MH370水下搜尋；美國軍方也曾使用Bluefin Robotics的Bluefin-21 AUV搜尋馬航失聯(lián)客機(jī)；英國Kongsberg公司生產(chǎn)的REMUS AUV曾成功搜尋到法航447的發(fā)動機(jī)殘骸。深水AUV因其作業(yè)可靠，智能程度高成為了深海水下搜救的首選工具。

2.3 水下地形測繪

目前水下地形的測繪主要依靠多波束測深系統(tǒng)，在應(yīng)對水深較淺的水下地形勘測任務(wù)中，船載多波束測深系統(tǒng)均可獲得分辨率較高的水下地形圖。但在深水區(qū)域，受到水深影響，即使是開角較小的深水多波束在深水情況下會由于傳播距離的增加導(dǎo)致其分辨率相對較差，無法獲得高精度的水下地形圖。深海AUV可在距離海底較近的高度進(jìn)行作業(yè)，因此其可獲得高精度的深海水下地形圖像。

3.深海AUV的未來的發(fā)展方向

3.1 遠(yuǎn)程化

深海AUV在水下作業(yè)過程中其主要?jiǎng)恿碓词撬钶d的電池模塊，依據(jù)其搭載的探測裝置及工作狀態(tài)不同，其在水下的工作時(shí)間也存在較大差別。多數(shù)深海AUV的水下續(xù)航時(shí)間均可達(dá)到24h，但隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，深海AUV的續(xù)航力將得到持續(xù)提升。續(xù)航力的提升，可使AUV在單次布放后獲得更為龐大的水下數(shù)據(jù)從而提升深海AUV的水下作業(yè)效率。

3.2 智能化

深海AUV的智能化程度決定著其在水下作業(yè)過程中的安全性，并在一定程度上影響其作業(yè)效率。AUV在水下作業(yè)過程中對相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)急情況的處理機(jī)制和決策機(jī)制是未來AUV發(fā)展的重要方向之一，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，自主學(xué)習(xí)和自主決策能力將在深水AUV上得以應(yīng)用，以保障深水AUV在水下的作業(yè)安全。

3.3 模塊化

目前的深水AUV多搭載多重類型的探測設(shè)備，如相機(jī)、多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲納、淺地層剖面儀及溫鹽深傳感器等，多類型探測設(shè)備的搭載可保障AUV可應(yīng)對不同的作業(yè)需求。但這在一定程度上增加了AUV本身的負(fù)載，從而降低使用效率。模塊化的探測裝置可保障AUV在應(yīng)對不同作業(yè)需求時(shí)快速進(jìn)行設(shè)備的更換，同時(shí)減輕AUV自身重量，提高作業(yè)效率。

【基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0306003）】

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