朱大奇， 胡 震

(1.上海海事大學(xué) 水下機(jī)器人與智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無(wú)錫 214082)

引 言

海洋是人類發(fā)展的四大戰(zhàn)略空間(陸、海、空、天)中繼陸地之后的第二大空間，是生物資源、能源、水資源和金屬資源的戰(zhàn)略性開發(fā)基地，作為人類探索海洋和維護(hù)海洋權(quán)益的大國(guó)重器，深海潛水器DUV(Deep sea underwater vehicle，DUV)將發(fā)揮著重要而不可替代的作用。

圖1 深海潛水器分類

深海潛水器是運(yùn)載各種電子裝置、機(jī)械設(shè)備和人員快速精確地到達(dá)各種深海環(huán)境，進(jìn)行高效勘探、科學(xué)考察和開發(fā)作業(yè)的裝備[1]。潛水器包括載人潛水器(Human Occupied Vehicle，HOV)、無(wú)人潛水器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)和其他深?？辈樵O(shè)備(如深海水下滑翔機(jī)和深海拖曳測(cè)繪系統(tǒng)等)三類。其中無(wú)人潛水器又稱水下機(jī)器人，按無(wú)人潛水器與母船之間有無(wú)電纜連接，又分為有纜搖控潛水器ROV(Remotely Operated Vehicle)和無(wú)纜自治潛水器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)。有纜搖控潛水器ROV按其在水下運(yùn)動(dòng)方式不同，可將其分為浮游式無(wú)人潛水器，拖曳式無(wú)人潛水器，爬行式無(wú)人潛水器和附著式無(wú)人潛水器；無(wú)纜自治潛水器AUV按其智能程度，又可以分為預(yù)編程、監(jiān)控型和完全智能型。隨著無(wú)人潛水器技術(shù)的發(fā)展，近些年又出現(xiàn)了一些新型無(wú)人潛水器，如自治—遙控混合型無(wú)人潛水器ARV(Autonomous & Remotely-operated Vehicle)，它是將ROV和AUV的某些特性結(jié)合在一起的新型無(wú)人潛水器，通過(guò)光纖進(jìn)行通信、自帶電源，除去光纖可以作AUV使用，加上光纖又具有ROV功能。圖1為深海潛水器分類關(guān)系圖。

1 深海潛水器研究現(xiàn)狀

1.1 載人潛水器

作為國(guó)之重器的深海載人潛水器HOV，以其有人駕駛、近距離直接觀察與操作的特性，已成為深海裝備研究的熱點(diǎn)之一，美國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、日本和中國(guó)等紛紛加入到HOV研發(fā)之中[2]，其中，法國(guó)的“鸚鵡螺號(hào)”HOV作業(yè)水深達(dá)6000米，已下潛1700多次；日本“深海6500”HOV已調(diào)查水深達(dá)6500米的海洋斜坡及大斷層；美國(guó)“阿爾文號(hào)”HOV是世界上下潛次數(shù)最多、最為成熟的深海載人潛水器，目前正積極開發(fā)下潛深度6500米的“新阿爾文號(hào)”HOV；俄羅斯研制的“和平1號(hào)”、“和平2號(hào)”是世界上唯一一對(duì)可配合作業(yè)的載人潛水器；中國(guó)船舶科學(xué)研究中心(即中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第702研究所)深海載人裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的“蛟龍?zhí)枴?000米級(jí)深海載人潛水器，是目前世界上下潛最深的載人潛水器，但“蛟龍?zhí)枴盚OV許多關(guān)鍵部件依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化率較低。2017年10月同樣由中國(guó)船舶科學(xué)研究中心研制完成的4500米“深海勇士號(hào)”載人潛水器彌補(bǔ)了這一缺陷，其國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上，“深海勇士”號(hào)的載人艙、浮力材料、深海鋰電池、機(jī)械手、水聲通信系統(tǒng)等都是自主研制，大大提高了海洋裝備科技的國(guó)產(chǎn)化水平，也為中國(guó)未來(lái)全海深科考奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。表1給出了全球4500米深度以上載人潛水器型號(hào)與主要技術(shù)參數(shù)。

表1 全球4500米以上載人潛水器(HOV)的對(duì)比情況

1.2 無(wú)人潛水器

無(wú)人潛水器是一種能在水下浮游或在海底行走，具有觀察能力和使用機(jī)械手或其他工具進(jìn)行水下作業(yè)的裝置。從機(jī)器人學(xué)的角度看，無(wú)人潛水器屬于特種機(jī)器人范疇，在海洋工程界，無(wú)人潛水器通常也稱為水下機(jī)器人(Underwater Vehicle)[3]。

1.2.1 有纜遙控?zé)o人潛水器[4-5]70年代由于海上石油開采及軍事等的需要，使ROV(Remotely operated vehicles)技術(shù)得到迅猛發(fā)展，并且漸漸形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè)部門：ROV工業(yè)。大約在1975年，在觀察型商業(yè)化的纜控?zé)o人潛水器：RCV-125問(wèn)世后，世界上有關(guān)ROV產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，典型的如日本KAIKO無(wú)人潛水器(圖2(a))以及法國(guó)VICTOR 6000無(wú)人潛水器(圖2(b))等。目前，ROV型號(hào)已達(dá)幾百種，全世界有超過(guò)400家廠商提供各種型號(hào)的ROV和其零部件。ROV的最大下潛深度已經(jīng)達(dá)到11000米，可以說(shuō)ROV的工作范圍幾乎達(dá)到全部的海洋空間。

近些年，國(guó)外已有多種型號(hào)的纜控?zé)o人潛水器作為成熟的商業(yè)產(chǎn)品銷往國(guó)內(nèi)。如美國(guó)OUTLAND技術(shù)公司的OUTLAND1000，如圖2(c)所示，它配備了各種傳感器，如深度計(jì)﹑聲納系統(tǒng)、羅經(jīng)等；4個(gè)推進(jìn)器(2個(gè)進(jìn)退推進(jìn)器、1個(gè)橫移推進(jìn)器、1個(gè)潛浮推進(jìn)器)及計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。采用框架式結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)升級(jí)和加裝各種附件提供了充足的空間。其主要性能如下：長(zhǎng)寬高為65cm×37cm×26cm，重量約為17.7千克，最大潛水深度為300米，航行速度為0～3節(jié)，可調(diào)負(fù)載為2.3千克。

加拿大SEAMOR300無(wú)人潛水器，如圖2(d)所示，配備了深度計(jì)﹑高度計(jì)、聲納系統(tǒng)、羅經(jīng)及計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等，4個(gè)推進(jìn)器成對(duì)稱排列，與水平面成近45度角，框架式結(jié)構(gòu)，最大潛水深度為300米，航行速度為0～3節(jié)，可調(diào)負(fù)載為3千克。

英國(guó)FALCON和FALCON DR系列產(chǎn)品，如圖2(e)所示，下潛深度達(dá)300米至1000米，以FALCON為例，300m耐壓水深,8.5kg載荷，臍帶纜最長(zhǎng)450m，可升級(jí)到1100米，5個(gè)磁耦合無(wú)刷直流推進(jìn)器，水平面4個(gè)矢量推進(jìn)器和1個(gè)垂直推進(jìn)器，具有速率反饋功能，分布式智能控制系統(tǒng)，功能較齊全的傳感器系統(tǒng)和多功能機(jī)械手等作業(yè)系統(tǒng)。

法國(guó)ECA HYTEC公司H300 MKII ROV為淺水型ROV，如圖2(f)所示，它的工作水深300m,負(fù)載能力8kg,能搭載眾多傳感器，如：Micron DST掃描聲納，深度計(jì)﹑羅經(jīng)及計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)等；并配備功能強(qiáng)大5功能液壓機(jī)械手BMHLK-4300；4個(gè)磁耦合無(wú)刷直流推進(jìn)器，最大推力達(dá)到17.3kg。

(a)KAIKO

(c)OUTLAND1000

(d)SEAMOR300

(f)H300

圖2 各類ROV設(shè)備

1.2.2 自治無(wú)人潛水器[5-6]自治無(wú)人潛水器AUV(Autonomous Underwater Vehicle)是將人工智能、自動(dòng)控制、模式識(shí)別、信息融合與系統(tǒng)集成等技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)載體上,在與母船之間沒(méi)有物理連接,無(wú)人駕駛的情況下，依靠自身攜帶的動(dòng)力以及機(jī)器智能自主地完成復(fù)雜海洋環(huán)境中預(yù)定任務(wù)的機(jī)器人。

由于自治無(wú)人潛水器具有活動(dòng)范圍不受電纜限制，隱蔽性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以從60年代中期起，工業(yè)界和軍方開始對(duì)其發(fā)生興趣。但是，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)上難度太大，這使得無(wú)纜自治無(wú)人潛水器研究在低水平上徘徊多年。70年代中期，微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)及通信導(dǎo)航技術(shù)的迅速發(fā)展，再加上海洋工程和軍事活動(dòng)的需要，國(guó)外工業(yè)界和軍方再次對(duì)自治無(wú)人潛水器發(fā)生興趣。

目前，美國(guó)是世界上AUV研究中心，也是世界上AUV研究機(jī)構(gòu)最多的國(guó)家。僅美國(guó)海軍主要研制無(wú)人潛水器的單位就包括：美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心、美國(guó)海軍研究局、美國(guó)海軍海洋系統(tǒng)中心、美國(guó)海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)中心、美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和查爾斯·斯塔克·德雷珀實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)海軍研究生院等。此外，還有華盛頓大學(xué)、美國(guó)麻省理工學(xué)院、Woods Hole海洋研究所、通用動(dòng)力公司和雷聲公司、洛克希德導(dǎo)彈和宇航公司、佩里技術(shù)公司等。

另外，英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、瑞典、丹麥、挪威等許多歐洲國(guó)家在AUV研制與應(yīng)用方面也有出色的表現(xiàn)。如德國(guó)海軍研制一種用于反潛戰(zhàn)的水下無(wú)人潛器——TCM/TAU 2000魚雷對(duì)抗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由探測(cè)設(shè)備及信號(hào)處理裝置、指揮控制裝置、發(fā)射集裝箱、4個(gè)鉸接蓋板和TAU效應(yīng)器組成，能進(jìn)行全方位的區(qū)域偵察，作戰(zhàn)系統(tǒng)信號(hào)處理時(shí)間短、反應(yīng)速度快；由于采用了模塊化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能很容易地裝配到209、212級(jí)潛艇上。另外，德國(guó)公司開發(fā)的名為“深?！盋(Deep C)的新型AUV，續(xù)航時(shí)間60小時(shí)，潛深達(dá)4000m，直徑1m，重約2000kg，他們?cè)贒eep C上使用許多新技術(shù)，包括碳纖維增強(qiáng)塑料、縮微燃料電池、長(zhǎng)航時(shí)水下導(dǎo)航系統(tǒng)等。

(a)Odyssey IV

(c)AUTOSUB

(d)ALIVE

(f)Nereus

圖3 各類AUV設(shè)備

圖3(a)為美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的Odyssey IV號(hào)AUV；圖3(b)為美國(guó)Woods Hole海洋研究所研制的ABE號(hào)AUV；圖3(c)為英國(guó)南安普頓海洋研究中心研制的魚雷形狀的AUTOSUB號(hào)AUV；圖3(d)為法國(guó)Cybernextix公司研制的ALIVE號(hào)AUV。

特別需要介紹的是美國(guó)“藍(lán)鰭金槍魚機(jī)器人”公司的“Bluefin-21”AUV在2014年搜尋馬航MH370失聯(lián)客機(jī)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。它可以潛入水下4500米深處，在配置相關(guān)聲吶后能以最高7.5厘米的分辨率搜尋水下物體，其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為：長(zhǎng)493厘米、直徑53厘米、重750公斤，潛水深度4500米，最大航速4節(jié)(1節(jié)等于每小時(shí)1.852千米)。在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載和3節(jié)航速下，其續(xù)航能力為25小時(shí)。它可根據(jù)需要裝載多種探測(cè)設(shè)備，如410千赫側(cè)掃聲吶系統(tǒng)等。圖3(e)為“Bluefin-21”AUV。

近年來(lái)，伍茲霍爾研究所積極開發(fā)新型的深海潛水器，如海神號(hào)(Nereus)自治遙控混合型HROV無(wú)人深海潛水器，其工作水深達(dá)11000米，其在2009年5月于馬里亞納海溝完成10902米水深的下潛試驗(yàn)，可以覆蓋地球上任意深度的海域。圖3(f)為海神號(hào)HROV。令人惋惜的是，2014年5月10日海神號(hào)在探索新西蘭克馬德克海溝時(shí)，因深海水壓故障而解體。

另外，前蘇聯(lián)于上世紀(jì)70年代就開始了AUV的研制工作，盡管冷戰(zhàn)期受到西方技術(shù)封鎖，缺少先進(jìn)的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)備，但前蘇聯(lián)在AUV的研制方面仍然取得了一定的成果并積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。90年代中期建造的幾個(gè)AUV就在太平洋、大西洋和挪威海域成功地進(jìn)行了深海搜索和回收工作。前蘇聯(lián)在深海潛水器結(jié)構(gòu)材料方面也取得了突出的研究成果，在鈦合金加工制造和焊接方面居世界先進(jìn)水平，國(guó)產(chǎn)“蛟龍?zhí)枴?000米載人潛水器殼體就是采用蘇制鈦合金加工制造。此外，在發(fā)展復(fù)合材料、陶瓷材料方面也取得了很大成就，這些技術(shù)對(duì)其他國(guó)家發(fā)展AUV起到了促進(jìn)作用。蘇聯(lián)解體后，這些優(yōu)勢(shì)主要被俄羅斯所繼承。目前，俄羅斯在國(guó)際市場(chǎng)上積極出售AUV產(chǎn)品和相應(yīng)技術(shù)，中國(guó)和韓國(guó)就向俄羅斯購(gòu)進(jìn)了有關(guān)技術(shù)，并合作開展了AUV的研制。

在亞洲，日本的無(wú)人潛水器技術(shù)也占有重要地位，主要用于地震預(yù)報(bào)和海洋開發(fā)(如：水下采礦、海底石油和天然氣的開發(fā)等)方面，參與部門和機(jī)構(gòu)包括日本科學(xué)技術(shù)中心、國(guó)際貿(mào)易工業(yè)部、運(yùn)輸部、建設(shè)部、機(jī)器人技術(shù)協(xié)會(huì)、日本深海技術(shù)協(xié)會(huì)等。另外，韓國(guó)Daewoo重工業(yè)公司的船舶海洋研究所同俄羅斯海洋研究所合作，共同研制了名為OKPL-6000的自治無(wú)人潛水器，形狀像魚雷，主要用于深海探測(cè)、搜索與觀察海底沉沒(méi)物體和科學(xué)研究。該AUV長(zhǎng)3.8m，直徑0.7m，重980kg，最大工作深度6000m，最大巡航速度3kn，續(xù)航力10小時(shí)，動(dòng)力采用銀鋅蓄電池，推進(jìn)系統(tǒng)采用四個(gè)電動(dòng)推進(jìn)裝置。OKPL-6000 AUV已進(jìn)行了多次深?？疾煸囼?yàn)，記錄了大量的圖像、視頻資料和海底地圖。

1.2.3 國(guó)內(nèi)深海潛水器研究[7-8]近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)深海潛水器的研究已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，主要圍繞以下幾個(gè)中心來(lái)進(jìn)行。

一是以中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所為核心,由中船重工集團(tuán)702所、中科院聲學(xué)所、哈爾濱工程大學(xué)等單位合作。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所通過(guò)建立機(jī)器人示范工程基地，已開發(fā)出多種型號(hào)的無(wú)人潛水器產(chǎn)品，應(yīng)用于水下觀測(cè)、海上作業(yè)、救撈工程、水下安保等。圖4是上世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所與俄羅斯合作，開發(fā)了CR01和CR02兩套AUV系統(tǒng)，并進(jìn)行了海試，但最終未投入實(shí)際應(yīng)用。

圖5(a)是中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所2012年12月自主研制的“潛龍一號(hào)”AUV，“潛龍一號(hào)”是一個(gè)長(zhǎng)4.8米、寬0.8米的回轉(zhuǎn)體。它可以在水下6000米處以2節(jié)的速度巡航，連續(xù)工作24小時(shí)，得到多次實(shí)際的深海作業(yè)應(yīng)用；2015年12月在6000米級(jí)“潛龍一號(hào)”的基礎(chǔ)上，針對(duì)多金屬硫化物礦區(qū)需求，研制出“潛龍二號(hào)”AUV系統(tǒng)，如圖5(b)所示，它在機(jī)動(dòng)性、避碰能力、快速三維地形地貌成圖、浮力材料國(guó)產(chǎn)化方面均有較大提高；2018年4月中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所進(jìn)一步推出功能更加齊備、國(guó)產(chǎn)化率更高的“潛龍三號(hào)”AUV，如圖5(c)所示，和“潛龍一號(hào)”和“潛龍二號(hào)”相比，“潛龍三號(hào)”展現(xiàn)了出色的穩(wěn)定性和可靠性，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都有新的突破，如最大續(xù)航力達(dá)到總航程157千米，航行時(shí)間43小時(shí)，最大速度達(dá)到3節(jié)，并具備各類水下工作模式。

(a)“潛龍一號(hào)”AUV

(c)“潛龍三號(hào)”AUV

圖5 潛龍系列AUV

二是以上海交通大學(xué)為核心，聯(lián)合浙江大學(xué)、青島海洋化工研究院、同濟(jì)大學(xué)和哈爾濱工程大學(xué)等單位，共同協(xié)作研制出多款無(wú)人遙控潛水器。圖6是下潛深度達(dá)3500米的作業(yè)型“海龍?zhí)枴盧OV；圖7是下潛深度達(dá)4500米的作業(yè)型“海馬號(hào)”ROV，值得一提的是“海馬號(hào)”4500米R(shí)OV系統(tǒng)是我國(guó)迄今為止工作水深和系統(tǒng)規(guī)模最大、國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%以上的無(wú)人遙控潛水器。項(xiàng)目在ROV本體結(jié)構(gòu)、液壓動(dòng)力和推進(jìn)、浮力材料、作業(yè)機(jī)械手和工具、導(dǎo)航定位、控制軟硬件、升沉補(bǔ)償裝置、加工制造和總體集成等關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化方面取得了重要突破，目前已完成4500米深海試驗(yàn)，并投入實(shí)際應(yīng)用。

圖6 “海龍?zhí)枴盧OV

圖7 “海馬號(hào)”ROV

圖8 “蛟龍”號(hào)HOV

圖9 “深海勇士”號(hào)HOV

三是以中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心)為核心，以沈陽(yáng)自動(dòng)化所，浙江大學(xué)，中科院聲學(xué)所，華中科技大學(xué)等為合作單位，主要是研制深海載人潛水器。2012年研制成功的潛深7000米載人潛水器(“蛟龍”號(hào))，創(chuàng)造了世界上載人潛水器最深下潛記錄，并通過(guò)了7000米海試實(shí)驗(yàn)和多次作業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)已交付國(guó)家深?；毓芾碇行?青島鰲山)進(jìn)行社會(huì)化營(yíng)運(yùn)，取得了舉世矚目的成就。圖8為“蛟龍”號(hào)7000米載人潛水器海試情況；2017年6月中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，再次研發(fā)出可靠性更高、國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到90%以上的4500米級(jí)“深海勇士號(hào)”載人潛水器，目前，該潛水器已完成海試，并交付中科院三亞深?？茖W(xué)研究中心運(yùn)營(yíng)，圖9為“深海勇士”號(hào)4500米載人潛水器。另外，以中國(guó)船舶科學(xué)研究中心為牽頭單位的全海深(11000米)深海載人潛水器，也于2016年10月得到科技部重大研發(fā)計(jì)劃的立項(xiàng)，預(yù)計(jì)2021年將進(jìn)行全海深水下試驗(yàn)。

四是以哈爾濱工程大學(xué)為中心，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)702所、709所、華中科技大學(xué)等單位合作，研制出三型軍用智能無(wú)人潛水器和用于各種特定功能的無(wú)人潛水器。

另外國(guó)內(nèi)不少高校及研究所也從事這一方面的研究，主要有西北工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)﹑中科院自動(dòng)化研究所、華中科技大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)、上海海洋大學(xué)及上海海事大學(xué)等。

2 深海潛水器關(guān)鍵技術(shù)

由于深海環(huán)境極為復(fù)雜，潛水器自身的非線性、強(qiáng)耦合、有限載荷等影響，使得深海潛水器研發(fā)與應(yīng)用極具挑戰(zhàn)性。為了實(shí)現(xiàn)深海潛水器水下作業(yè)的可靠有效應(yīng)用，首先需要突破深海潛水器的諸多關(guān)鍵技術(shù)，如水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建技術(shù)、水下路徑規(guī)劃與安全避障技術(shù)、水聲通信與導(dǎo)航定位技術(shù)、水下軌跡跟蹤控制技術(shù)、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)、潛水器故障自診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)及大規(guī)模水下搜索時(shí)的多潛水器協(xié)作搜救控制技術(shù)等。

2.1 水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建技術(shù)[9-10]

對(duì)潛水器水下作業(yè)來(lái)說(shuō)，水下環(huán)境信息的獲取與感知是其智能決策的前提，水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建對(duì)于深海潛水器水下作業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。即如何應(yīng)用潛水器自身攜帶的環(huán)境感知傳感器識(shí)別出環(huán)境中的障礙物、自由航行區(qū)域，進(jìn)而構(gòu)建一有無(wú)障礙物的水下環(huán)境二維和三維離散地圖。有此環(huán)境地圖，潛水器就可以按照地圖柵格的性質(zhì)，規(guī)劃水下航行路徑，完成水下作業(yè)。水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建包含兩方面內(nèi)容：一是如何選擇合適的水下感知傳感器，二是如何應(yīng)用傳感器獲取的信息進(jìn)行地圖生成與更新。

由于海洋環(huán)境復(fù)雜,獲取水下目標(biāo)信息的手段十分有限,目前水下目標(biāo)探測(cè)的主要傳感器有：微光TV、激光成像和聲納傳感器。微光TV的圖像清楚,但受海水能見度影響很大,總的來(lái)說(shuō)可識(shí)別的距離太近，實(shí)際應(yīng)用中難以滿足要求；激光成像是在近幾年發(fā)展起來(lái)的新方法,比較適合潛水器使用，其體積、重量和所需功耗都較小,成像質(zhì)量遠(yuǎn)高于聲學(xué)成像并類似于微光TV,作用距離比TV遠(yuǎn),同時(shí)可提供較準(zhǔn)確的距離信息，然而要滿足對(duì)水下目標(biāo)識(shí)別的要求,仍然有不少技術(shù)難關(guān)需攻克；聲學(xué)傳感器(聲納)在水中作用距離遠(yuǎn),又有一定的分辨率,所以是目前水下環(huán)境感知與地圖構(gòu)建的主要傳感器。

對(duì)水下環(huán)境地圖構(gòu)建來(lái)說(shuō)，目前主要采用水下傳感器信息融合方法。常見的方法可以分為3類：貝葉斯法(Bayes)、模糊邏輯和D-S(Dempster-Shafer)證據(jù)理論。貝葉斯法(Bayes)以概率密度函數(shù)為基礎(chǔ)，綜合水下傳感器的各種信息，來(lái)描述水下環(huán)境的狀態(tài)，進(jìn)行障礙物與搜索區(qū)域分類，原理簡(jiǎn)單明了，Bayes方法主要不足在于：先驗(yàn)概率定義困難，需要對(duì)應(yīng)的且互不相容的假設(shè)，缺少分配總的不確定性的能力；模糊邏輯方法是利用模糊集合論中的隸屬函數(shù)和模糊關(guān)系矩陣的概念來(lái)解決障礙物與傳感器信息之間的不確定關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)障礙物的檢測(cè)，構(gòu)建水下環(huán)境地圖。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，結(jié)論明確直觀。但在模糊邏輯融合方法中，構(gòu)造隸屬函數(shù)是實(shí)現(xiàn)模糊決策的前提，由于隸屬函數(shù)是人為構(gòu)造的，含有一定的主觀因素；另外，對(duì)特征元素的選擇也有一定的要求，如選擇不合理，決策結(jié)果的準(zhǔn)確性會(huì)下降，甚至造成地圖構(gòu)建失敗。

D-S(Dempster-Shafer)證據(jù)理論是Dempster和Shafer在70年代提出的不確定信息處理方法，是對(duì)概率論的擴(kuò)展。它建立了命題和集合之間的一一對(duì)應(yīng)，把命題的不確定性問(wèn)題轉(zhuǎn)化為集合的不確定性問(wèn)題，而證據(jù)理論處理的正是集合的不確定性。對(duì)于具有主觀不確定性判斷的多屬性決策問(wèn)題，D-S證據(jù)理論是一個(gè)融合主觀不確定性信息的有效手段，也是目前水下環(huán)境地圖構(gòu)建的重要方法之一。

2.2 水下導(dǎo)航與通信技術(shù)[11-13]

2.2.1 水下導(dǎo)航定位系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng)功能是實(shí)時(shí)提供潛水器的位置、速度及姿態(tài)信息，也是潛水器水下作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。潛水器導(dǎo)航系統(tǒng)，一般可以劃分為一般導(dǎo)航和終端導(dǎo)航。一般導(dǎo)航是把潛水器引導(dǎo)到目標(biāo)附近；終端導(dǎo)航是接近目標(biāo)之后，能使?jié)撍鞯囊曇坝|及到局部感興趣的海底目標(biāo)。但由于深海潛水器非線性動(dòng)力學(xué)特性及水介質(zhì)的特殊性等因素的影響,實(shí)現(xiàn)深海潛水器的遠(yuǎn)距離及長(zhǎng)時(shí)間、大范圍內(nèi)的精確導(dǎo)航是一項(xiàng)艱難的任務(wù)。

目前主要的導(dǎo)航方式是:基于外部信號(hào)的非自主導(dǎo)航和基于傳感器的自主導(dǎo)航。非自主導(dǎo)航：如羅蘭、奧米加、GPS等。但羅蘭、奧米加導(dǎo)航精度低、覆蓋面積有限，而GPS是具有較高精度的導(dǎo)航設(shè)備，只是它為基于無(wú)線電的導(dǎo)航方式，由于電磁波在水中很快衰減，潛水器必須不斷浮出水面接受導(dǎo)航信號(hào)，對(duì)深海潛水器來(lái)說(shuō)在許多情況下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因此受到很大限制。

自主導(dǎo)航：靠潛水器自身攜帶的裝備如慣性測(cè)量裝置(IMU)、聲換能器陣、地形匹配或地磁傳感等手段完成導(dǎo)航。它分為慣性導(dǎo)航(Inertial navigation)、聲學(xué)導(dǎo)航(Acoustic navigation)和地理導(dǎo)航(Geophysical navigation)。慣性導(dǎo)航的基本原理是,根據(jù)加速度計(jì)與速率陀螺的測(cè)量值,用積分方法推算出位置，即所謂的航位推算法，位置的修正常用到卡爾曼濾波器(Kalman filter)和擴(kuò)展卡爾曼濾波器(Extended kalman filter)技術(shù)，前者針對(duì)線性系統(tǒng)，后者針對(duì)非線性系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)目前尚缺少精確可靠的速度傳感器，其在遠(yuǎn)距離作業(yè)中，由于累積誤差的存在不夠精確；隨著聲納技術(shù)的進(jìn)步,出現(xiàn)了聲學(xué)導(dǎo)航技術(shù)，聲學(xué)導(dǎo)航主要依靠母船、海底和潛水器上的聲波發(fā)射器、水聽器、水聲應(yīng)答器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)基線定位航行(LBL:Long baseline)、短基線定位航行(SBL:Short baseline)、超短基線定位航行(USBL:Ultra-short baseline)，通過(guò)標(biāo)志物位置，結(jié)合聲波在水中傳輸?shù)乃俣扰c接受時(shí)間間隔計(jì)算定位深海潛水器的位置，聲學(xué)導(dǎo)航定位有一定的定位精度，但它們受到定位距離與傳感器安裝網(wǎng)絡(luò)的限制，一般來(lái)說(shuō)，在深水環(huán)境中，長(zhǎng)基線定位大約在10千米范圍，超短基線定位在4千米左右。

另外，地理導(dǎo)航也是目前研究較多的深海潛水器導(dǎo)航方法，它可分為地形導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航，前者是根據(jù)潛水器作業(yè)環(huán)境的物理特征得到位置信息，后者是根據(jù)地磁場(chǎng)進(jìn)行潛水器水下導(dǎo)航。

2.2.2 潛水器水下通信技術(shù) 對(duì)潛水器與母船之間的通信技術(shù)來(lái)說(shuō)，有纜無(wú)人潛水器可以用電纜進(jìn)行信息傳輸，無(wú)纜潛水器的信息傳輸目前是通過(guò)水聲通信實(shí)現(xiàn)的。由于無(wú)線電信號(hào)在水中傳輸會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重衰減，通常只能傳播很短距離，如果要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，往往要求非常低的頻率(30-300Hz),并且需要巨大天線和非常高的傳輸功率，這在水下環(huán)境中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

在迄今所熟知的各種能量形式中，雖然水下聲波通信由于衰減小受到研究者普遍關(guān)注，聲波是深海潛水器可以進(jìn)行遠(yuǎn)程信息傳輸?shù)闹饕d體。但水聲通信也存在需要克服的問(wèn)題，水聲信道存在有效帶寬窄、傳播時(shí)延長(zhǎng)、誤碼率高的特征，且有效帶寬與傳輸距離、傳輸頻率具有一定的相關(guān)性，一個(gè)遠(yuǎn)自幾千米的長(zhǎng)距離水聲點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，有效帶寬僅有幾千赫茲，而對(duì)于一個(gè)幾十米的短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)水聲通信，有效帶寬可達(dá)幾百千赫茲；另外，聲波在水中傳輸還受到水中溫度、鹽度、洋流及季節(jié)的影響，速度約1500米/秒，比無(wú)線電波低五個(gè)數(shù)量級(jí)，致使水聲通信的時(shí)延非常大。因此，研究快速、準(zhǔn)確、方便的深海潛水器的水下信息通信傳輸技術(shù)，也是深海潛水器研究的重要內(nèi)容之一，特別是對(duì)多潛水器水下協(xié)作作業(yè)意義更加特殊。

2.3 水下路徑規(guī)劃及安全避障技術(shù)[14-21]

由于海洋深處工作環(huán)境的復(fù)雜性，不可預(yù)測(cè)性，潛水器要實(shí)現(xiàn)高效水下作業(yè)任務(wù)，必須具備自動(dòng)規(guī)劃水下航行路徑功能，且能夠有效避開障礙物。目前移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)雖然得到了較為深入的研究，取得了一系列的研究成果。但深海潛水器路徑規(guī)劃與安全航行的研究成果卻非常有限。和地面移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃研究相比，水下環(huán)境與一般地面環(huán)境有本質(zhì)的區(qū)別，首先，地面環(huán)境可以不考慮氣流對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，但水下環(huán)境中海流的影響很大，而且海流還是動(dòng)態(tài)時(shí)變的；其次，在地面移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃中，可以應(yīng)用多種傳感器進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別，而深海潛水器由于本身載荷及深海作業(yè)環(huán)境的限制，傳感器資源較少(主要是聲納識(shí)別)，這必然影響潛水器對(duì)目標(biāo)和障礙物的準(zhǔn)確判定；最后，和地面環(huán)境相比，水下噪音的干擾也更頻繁、更嚴(yán)重。這一切使得深海潛水器水下路徑規(guī)劃比地面路徑規(guī)劃更加復(fù)雜困難。

目前潛水器路徑規(guī)劃與避障技術(shù)研究主要集中在以下兩方面：一是潛水器多目標(biāo)路徑規(guī)劃算法。目前的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃大多是考慮單目標(biāo)、多障礙物的規(guī)劃問(wèn)題。但潛水器水下作業(yè)常常是一個(gè)多目標(biāo)(多任務(wù))的規(guī)劃，它需要觀察多個(gè)不同地點(diǎn)的水域目標(biāo)，同時(shí)AUV是自帶動(dòng)力，能源受到限制，必須在最短時(shí)間內(nèi)完成多目標(biāo)點(diǎn)作業(yè)，因此，多目標(biāo)路徑規(guī)劃就是要保證AUV到達(dá)所有目標(biāo)點(diǎn)的路徑最優(yōu)、時(shí)間最短；二是潛水器全覆蓋路徑規(guī)劃。對(duì)深海潛水器來(lái)說(shuō)，其每一個(gè)具體觀察目標(biāo)(水域)和周圍可能存在一個(gè)或多個(gè)障礙物，這些障礙物既有靜態(tài)的(如海底的礁石、海溝、禁止航區(qū)等)，也有動(dòng)態(tài)障礙物(如其它潛水器、移動(dòng)的冰山等)。針對(duì)這種特殊的水下海洋環(huán)境，如何設(shè)計(jì)出潛水器全覆蓋路徑規(guī)劃方法，有效避開障礙物，是深海潛水器水下作業(yè)的另一個(gè)重要問(wèn)題。這里面包含具體有效的規(guī)劃算法、水下避障技術(shù)及路徑規(guī)劃的“死區(qū)”(deadlock situation)問(wèn)題等。

目前的深海潛水器路徑規(guī)劃的具體方法可以分為傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法和現(xiàn)代路徑規(guī)劃策略。前者主要包括模板匹配路徑規(guī)劃技術(shù)、人工勢(shì)場(chǎng)路徑規(guī)劃技術(shù)、地圖構(gòu)建路徑規(guī)劃技術(shù)等，后者主要是人工智能路徑規(guī)劃技術(shù)，是將現(xiàn)代人工智能技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人的路徑規(guī)劃之中,如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)化計(jì)算、模糊邏輯與信息融合等。

2.4 水下軌跡跟蹤控制技術(shù)[22-29]

跟蹤控制問(wèn)題是深海潛水器研究的一個(gè)重要方面，它主要包括了路徑跟隨(path following)與軌跡跟蹤(trajectory tracking)兩個(gè)方面，兩者的主要區(qū)別在于跟蹤軌跡是否與時(shí)間相關(guān)，前者參考軌跡與時(shí)間無(wú)關(guān)，后者與時(shí)間相關(guān)，路徑跟隨可以看做是軌跡跟蹤的一種特例，因此以軌跡跟蹤問(wèn)題更具挑戰(zhàn)性，近年來(lái)已引起了許多控制領(lǐng)域?qū)＜?、學(xué)者的注意，但目前仍有不少問(wèn)題未得到很好解決。

導(dǎo)致深海潛水器難于控制的主要因素包括：(1)潛水器高度的非線性和時(shí)變的水動(dòng)力學(xué)性能；(2)負(fù)載的變化引起重心和浮心的改變；(3)附加質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)慣性較大；(4)海流的干擾等；這些因素使得潛水器的動(dòng)力學(xué)模型難以準(zhǔn)確獲取，而且具有強(qiáng)耦合和非線性的特點(diǎn)，常規(guī)的基于模型的控制策略難以滿足控制要求。另外，當(dāng)潛水器因其力學(xué)性能變化和所處的環(huán)境發(fā)生改變而引起控制性能下降時(shí)，要求潛水器的控制系統(tǒng)具有自調(diào)節(jié)和自適應(yīng)的魯棒能力。

通常潛水器的基本控制方式有PID控制、滑模控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊邏輯控制等幾種。PID控制為經(jīng)典控制策略，對(duì)潛水器的模型精度要求較高；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點(diǎn)是充分考慮到了潛水器的強(qiáng)非線性和各個(gè)自由度之間的耦合性,能夠跟蹤學(xué)習(xí)系統(tǒng)自身或外圍環(huán)境的緩慢變化，其缺點(diǎn)是不僅結(jié)構(gòu)和參數(shù)不易確定,而且存在樣本獲取困難，學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)間較長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性較差的缺陷；模糊控制器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,而且穩(wěn)定性也較好,但是眾多的模糊變量以及隸屬度函數(shù)的選取需要有豐富的操縱經(jīng)驗(yàn),在實(shí)際海上試驗(yàn)中,調(diào)試時(shí)間往往是有限的,過(guò)于復(fù)雜的參數(shù)調(diào)整制約了模糊控制技術(shù)在潛水器運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用；變結(jié)構(gòu)控制對(duì)具有不確定性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，是一種重要的方法，不嚴(yán)格的說(shuō)，對(duì)于狀態(tài)空間的一個(gè)特定子空間的參數(shù)變化和外部擾動(dòng)，變結(jié)構(gòu)控制具有完全或較高的魯棒性，因此在一些場(chǎng)合比較適合潛水器控制，但變結(jié)構(gòu)滑?？刂平獠⒉晃ㄒ唬畲蟮娜秉c(diǎn)是在控制過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)抖振現(xiàn)象，從而限制了它的應(yīng)用。

2.5 水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別技術(shù)[30-32]

對(duì)深海潛水器水下作業(yè)來(lái)說(shuō)，水下目標(biāo)信息的獲取是其智能決策的前提，水下目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別對(duì)于水下作業(yè)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。水下目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別技術(shù)主要包含兩方面內(nèi)容：一是水下目標(biāo)信息獲取，二是水下目標(biāo)信息處理與識(shí)別算法。如前所述，由于海洋環(huán)境復(fù)雜,獲取水下目標(biāo)信息的手段十分有限,目前水下目標(biāo)探測(cè)的主要傳感器有：微光TV、激光成像和聲納傳感器。而其中聲納傳感器使用較為廣泛?；诼暭{傳感器水下目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)可分為利用聲回波信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和利用聲圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別兩大類。20世紀(jì)60年代開始,美國(guó)、日本、法國(guó)、加拿大、英國(guó)等國(guó)家相繼推出利用聲回波信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別的潛用聲納目標(biāo)分類系統(tǒng)、海岸預(yù)警系統(tǒng)、信號(hào)分析專家系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)利用回波信號(hào)的頻譜、強(qiáng)度、包跡等特性,采用模糊規(guī)則、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)成分類器。其分類的目標(biāo)主要是水面艦船或潛艇。

聲納成像技術(shù)的發(fā)展使基于聲圖像的目標(biāo)識(shí)別成為水下目標(biāo)識(shí)別的主要方法之一。該方法主要用于近距離區(qū)分水雷等小目標(biāo)。其難點(diǎn)在于:首先,相對(duì)于光在空氣中的傳播,水中傳播的聲波要受到更嚴(yán)重的干擾；其次,水聲信道的時(shí)變和空變性,對(duì)其中傳播的聲信息產(chǎn)生各種復(fù)雜的作用；另外,為保證獲取圖像的分辨率,成像聲納的中心頻率都在幾百千赫以上,但是海水介質(zhì)對(duì)聲波能量的吸收隨其中心頻率的增長(zhǎng)以平方次增長(zhǎng),并伴有傳播中的體積擴(kuò)散,這就使高頻聲波能量在海水中損失較大。由于這些原因,使得水聲圖像與普通光學(xué)圖像相比,具有干擾大、分辨率低、像素信息少等缺點(diǎn)。

到目前為止,還沒(méi)有成熟的基于聲納圖像的目標(biāo)識(shí)別理論框架。目前普遍采用的方法是,根據(jù)特定水下目標(biāo)聲納圖像的特點(diǎn),預(yù)處理借鑒光學(xué)圖像的處理方法并進(jìn)行一定程度的修改,分類識(shí)別算法多采用基于模板的投票法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類技術(shù)和模板匹配技術(shù)。因此，準(zhǔn)確有效的水下目標(biāo)探測(cè)與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究仍為潛水器水下作業(yè)的重要方向之一。

2.6 潛水器故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)[33-44]

由于海洋深處工作環(huán)境的復(fù)雜性，不可預(yù)測(cè)性，深海潛水器一旦出現(xiàn)故障，不僅無(wú)法完成水下作業(yè)任務(wù)，而且潛水器本身有時(shí)也無(wú)法回收，損失巨大，因此其可靠性技術(shù)研究與設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。有關(guān)潛水器水下作業(yè)時(shí)因故障丟失事故時(shí)有發(fā)生，早期如日本“海溝”號(hào)(KAIKO)深海潛水器故障?！昂咸?hào)”是日本海洋科技中心1986年開始研制，于1990年完成設(shè)計(jì)并開始制造，長(zhǎng)3米，重5.6噸，耗資1500萬(wàn)美元，為有纜遙控式無(wú)人潛水器，上面裝備有復(fù)雜的攝像機(jī)、聲納和一對(duì)采集海底樣品的機(jī)械手，是當(dāng)時(shí)世界上惟一下潛深度達(dá)到7000米的深海潛水器。2003年5月29日，日本科學(xué)家利用“海溝”號(hào)在日本高知縣東南大約130公里左右的海域進(jìn)行海底調(diào)查作業(yè)時(shí)，“海溝”號(hào)因電纜斷裂而不知去向。操作人員連續(xù)用方位測(cè)定器向“海溝”號(hào)發(fā)射了多次信號(hào)，但控制船沒(méi)有接收到“海溝”號(hào)的任何信號(hào)?！昂稀碧?hào)失蹤使不少科學(xué)家痛心不已，對(duì)日本的深?？蒲衼?lái)說(shuō)，這次的損失無(wú)法估量。一些科學(xué)家甚至將“海溝”號(hào)比作航天界的“哥倫比亞”號(hào)，他們認(rèn)為，這個(gè)價(jià)值幾千萬(wàn)美元的探測(cè)器是獨(dú)一無(wú)二的，它的失蹤對(duì)科學(xué)研究是一個(gè)重大損失。

近期如2014年5月造價(jià)800萬(wàn)美元，由美國(guó)伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所設(shè)計(jì)建造的“海神號(hào)”(Nereus)無(wú)人潛水器，在新西蘭東北部的克馬德克海溝(Kermadec Trench)探險(xiǎn)時(shí)因本體水壓故障，完全解體，不僅經(jīng)濟(jì)損失巨大，而且沉重打擊國(guó)際海洋探測(cè)事業(yè)。類似事件在許多國(guó)家研制潛水器過(guò)程中都出現(xiàn)過(guò)，國(guó)內(nèi)也同樣出現(xiàn)過(guò)多次類似事件。

為了提高深海潛水器系統(tǒng)的可靠性，需要從兩個(gè)方面加強(qiáng)努力：一是深海潛水器的結(jié)構(gòu)可靠性或說(shuō)硬件的可靠性，取決于潛水器機(jī)械、材料、密封等諸多技術(shù)的進(jìn)步；二是潛水器控制系統(tǒng)的可靠性技術(shù)。即復(fù)雜控制系統(tǒng)的故障診斷與容錯(cuò)控制技術(shù)，目前已得到了較為深入的研究，取得了一系列的研究成果，特別是在航空航天系統(tǒng)、核電站系統(tǒng)上已有許多成功應(yīng)用。但深海潛水器故障診斷與容錯(cuò)控制研究成果卻非常有限，還未見到系統(tǒng)化的深海潛水器故障診斷與容錯(cuò)控制理論報(bào)道，也未見到實(shí)用有效的商業(yè)產(chǎn)品問(wèn)世。因此，深海環(huán)境中潛水器故障診斷與容錯(cuò)控制研究仍為潛水器研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.7 總體設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)[45-46]

2.7.1 總體設(shè)計(jì) 深海潛水器是一種技術(shù)密集性高、系統(tǒng)性強(qiáng)的工程，涉及到的專業(yè)學(xué)科多達(dá)幾十種，各學(xué)科之間彼此互相牽制，單純地追求單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，就會(huì)顧此失彼。解決這些矛盾除有很強(qiáng)的系統(tǒng)概念外，還需加強(qiáng)協(xié)調(diào)，在滿足總體技術(shù)要求的前提下，各單項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的確定要相互兼顧，包括潛水器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器系統(tǒng)布置、推進(jìn)器系統(tǒng)布置與外形設(shè)計(jì)等。如潛水器的外形設(shè)計(jì)，大多采用低阻的流線型體，結(jié)構(gòu)盡可能采用重量輕、浮力大、強(qiáng)度高、耐腐蝕、降噪的輕質(zhì)復(fù)合材料。但在潛水器整體設(shè)計(jì)中，仍然需要不斷優(yōu)化，利用有限的空間資源實(shí)現(xiàn)最大的作業(yè)功能。

2.7.2 仿真技術(shù) 潛水器工作在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，由智能控制完成任務(wù)。由于工作區(qū)域的不可接近性，使得對(duì)真實(shí)硬件與軟件體系的研究和測(cè)試比較困難。為此在潛水器的方案設(shè)計(jì)階段，要進(jìn)行仿真技術(shù)研究，內(nèi)容為兩部分，一是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真：按給定的技術(shù)指標(biāo)和潛水器的工作方式，設(shè)計(jì)潛水器平臺(tái)外形并進(jìn)行流體動(dòng)力試驗(yàn)，獲得仿真用的水動(dòng)力參數(shù)。在建立運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、確定邊界條件后，用水動(dòng)力參數(shù)和工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，解算各種工況下平臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)評(píng)估平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如有差異,則通過(guò)調(diào)整平臺(tái)尺寸、重心浮心等技術(shù)參數(shù)后再次仿真,直至滿足要求為止。二是控制硬、軟件的仿真：在水中對(duì)控制系統(tǒng)的調(diào)試和檢測(cè)具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，因此有必要在控制硬、軟件裝入平臺(tái)前，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)先對(duì)單機(jī)性能進(jìn)行檢測(cè)，再對(duì)集成后的系統(tǒng)在仿真器上做陸地模擬仿真試驗(yàn)，并評(píng)估仿真后的性能。內(nèi)容包括動(dòng)密封、抗干擾、機(jī)電匹配、軟件調(diào)試。根據(jù)結(jié)果，進(jìn)行修改和完善。因而需研究和開發(fā)一套用于控制系統(tǒng)仿真的仿真器。仿真器主要由模擬平臺(tái)、等效載荷、模擬通訊接口、仿真工作站等組成。在仿真器上對(duì)控制系統(tǒng)的仿真，可以減少海試時(shí)的調(diào)試工作量，避免由海中不確定因素帶來(lái)的麻煩。

3 深海潛水器的應(yīng)用與發(fā)展

深海潛水器已廣泛應(yīng)用于包括海洋工程、港口建設(shè)、海洋石油、海事執(zhí)法取證、科學(xué)研究和海軍防務(wù)等諸多領(lǐng)域，用以完成水下搜救、探測(cè)打撈、深海資源調(diào)查、海底線管敷設(shè)與檢查維修、水下考古、電站及水壩大壩檢測(cè)等各項(xiàng)工作。目前市場(chǎng)對(duì)潛水器的需求分觀察探測(cè)型和作業(yè)型兩種。觀察型配備有水下電視和照相設(shè)備，針對(duì)水下特定目標(biāo)進(jìn)行定期觀察和檢查；作業(yè)型可針對(duì)不同的要求，還配備前視聲納、側(cè)掃聲納、海底繪圖、海底剖面等設(shè)備和各種機(jī)械手等，進(jìn)行水下作業(yè)。

3.1 深海潛水器應(yīng)用

3.1.1 海洋資源的研究和開發(fā) 占地球表面積71%的海洋是一個(gè)富饒而遠(yuǎn)未得到開發(fā)的資源寶庫(kù)，也是兵戎相見的戰(zhàn)場(chǎng)。21世紀(jì)，人類面臨人口膨脹和生存空間、陸地資源枯竭和社會(huì)生產(chǎn)增長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境惡化和人類發(fā)展的三大矛盾挑戰(zhàn)，要維持自身的生存、繁衍和發(fā)展，就必須充分利用海洋資源，這是無(wú)可回避的抉擇。對(duì)人均資源匱乏的我國(guó)來(lái)說(shuō)，海洋開發(fā)更具有特殊意義。因此，深海潛水器將在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源勘察、海洋科學(xué)研究中發(fā)揮重要作用。

3.1.2 深海搜索與救助 深海水下搜救既是潛水器的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是現(xiàn)代智能信息處理的重要應(yīng)用領(lǐng)域，是一多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，基于無(wú)人潛水器的深海水下搜救術(shù)已成為航運(yùn)與海洋工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。早在1963年就有美國(guó)“阿爾文”號(hào)與“科夫”號(hào)無(wú)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；2014年初的馬航MH370失聯(lián)客機(jī)水下搜救中，“藍(lán)鰭金槍魚”號(hào)自治無(wú)人潛水器在4500米的深海進(jìn)行了大規(guī)模水下搜索，雖然由于未知原因，仍未找到失聯(lián)客機(jī)，但毫無(wú)疑問(wèn)無(wú)人潛水器是深海搜救的首選工具，甚至是唯一選擇，同時(shí)也表明深海潛水器水下搜救的困難與挑戰(zhàn)性。

3.1.3 未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的作用 零傷亡是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的選擇，因而使得無(wú)人武器系統(tǒng)在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中的地位倍受重視，其潛在的作戰(zhàn)效能越來(lái)越明顯。作為無(wú)人武器系統(tǒng)重要組成部分的無(wú)人潛水器能夠以水面艦船或潛艇為基地，在數(shù)十或數(shù)百里的水下空間完成環(huán)境探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、情報(bào)收集和數(shù)據(jù)通訊，將大大地?cái)U(kuò)展了水面艦船或潛艇的作戰(zhàn)空間，如我國(guó)在南海多次捕獲到的無(wú)人自主潛水器，就是某國(guó)從公海投放的進(jìn)行水下測(cè)繪作業(yè)的潛水器。

另外，對(duì)AUV來(lái)說(shuō)，它們能夠更安全地進(jìn)入敵方控制的危險(xiǎn)區(qū)域，能夠以自主方式在戰(zhàn)區(qū)停留較長(zhǎng)的時(shí)間，是一種效果明顯的兵力倍增器。更重要的是，在未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中，“以網(wǎng)絡(luò)為中心”的作戰(zhàn)思想將代替“以平臺(tái)為中心”的作戰(zhàn)思想，潛水器將成為網(wǎng)絡(luò)中心站的重要節(jié)點(diǎn)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。目前世界各國(guó)重點(diǎn)研究的應(yīng)用包括：水下偵聽、反潛戰(zhàn)、情報(bào)收集、監(jiān)視與偵察、目標(biāo)探測(cè)和環(huán)境數(shù)據(jù)收集及多AUV水下圍捕與對(duì)抗等。

3.2 深海潛水器發(fā)展趨勢(shì)

3.2.1 向遠(yuǎn)程發(fā)展 目前的深海潛水器航行能力還有限，阻礙智能潛水器向遠(yuǎn)程發(fā)展的技術(shù)障礙有三個(gè)：能源、遠(yuǎn)程導(dǎo)航和實(shí)時(shí)通信。目前正在研究的各種可利用的能源系統(tǒng)包括一次電池、二次電池、燃料電池、熱機(jī)及核能源。開發(fā)利用太陽(yáng)能的無(wú)人潛水器是引人注目的新進(jìn)展，太陽(yáng)能自主潛水器需要浮到水面給機(jī)載能源系統(tǒng)再充電，并且這種可利用的能源又是無(wú)限的。

3.2.2 向深海發(fā)展 6000米以上水深的海洋面積占海洋總面積的97%．因此許多國(guó)家把發(fā)展6000水深技術(shù)作為一個(gè)目標(biāo)。美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)都先后研制了6000米級(jí)的UUV。美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所研制成一種深海探測(cè)潛器“ABE”，可在水深6000米的海底停留一年，還有日本可以深潛11000米的“海溝號(hào)”ROV；在我國(guó)國(guó)內(nèi)已經(jīng)完成3000米級(jí)、4500米級(jí)、6000米級(jí)(7000米HOV)的無(wú)人潛水器和載人潛水器研發(fā)，在“十三五”將完成萬(wàn)米全海深無(wú)人與載人深海潛水器研發(fā)，并投入實(shí)際應(yīng)用。

3.2.3 向智能型發(fā)展 增加潛水器的智能水平一直是各國(guó)科學(xué)家的努力目標(biāo)。但是目前的潛水器智能水平還較低，因此需要將現(xiàn)代的人工智能技術(shù)引入到潛水器研發(fā)中來(lái)，發(fā)展真正的智能潛水器(智能水下機(jī)器人)，是今后的一個(gè)重要發(fā)展方向，如深度學(xué)習(xí)技術(shù)在水下機(jī)器人中應(yīng)用，使AUV具備自學(xué)習(xí)、自決策能力。

3.2.4 向共融型發(fā)展 共融機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)器人系統(tǒng)的重要發(fā)展方向之一。針對(duì)深海航行器HOV、ROV、AUV和AUG等系統(tǒng)，深入研究水下共融潛水器系統(tǒng)，如潛水器—水下環(huán)境共融、潛水器—潛水器共融、人—潛水器共融等，從而實(shí)現(xiàn)潛水器高效水下作業(yè)應(yīng)用，如水下搜索、多UUV協(xié)作與跟蹤圍捕等。