隨著人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)將與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)深度融合。共融機(jī)器人是人類未來幾十年技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向與領(lǐng)域。

共融機(jī)器人是指能夠與作業(yè)環(huán)境、人和其他機(jī)器人自然交互、自主適應(yīng)復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境并協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人。共融機(jī)器人是繼工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人之后機(jī)器人技術(shù)的重要發(fā)展方向。深海航行器是典型的水下共融機(jī)器人系統(tǒng)，也稱水下機(jī)器人。由于水下環(huán)境的復(fù)雜多變，以及受深海水壓的影響，與其他工業(yè)機(jī)器人相比，深海航行器系統(tǒng)研究更加復(fù)雜，更具挑戰(zhàn)性。

國(guó)內(nèi)外共融機(jī)器人與深海航行器發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)深入到人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)方面，給人類社會(huì)發(fā)展帶來重大變革。美國(guó)于2011年啟動(dòng)了先進(jìn)制造伙伴計(jì)劃 （AMP），明確指出“下一代機(jī)器人將與人類操作者緊密合作，為產(chǎn)業(yè)工人、健康服務(wù)者、士兵、手術(shù)醫(yī)生以及宇航員等完成復(fù)雜任務(wù)提供新的能力”，這是迄今為止國(guó)家級(jí)計(jì)劃中對(duì)下一代機(jī)器人功能內(nèi)涵最清晰的描述。歐盟早在2006年就成立了專門機(jī)構(gòu)，對(duì)歐洲機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了長(zhǎng)期、細(xì)致的研究，并于2014年1月頒布了機(jī)器人發(fā)展路線圖，歸納出下一代機(jī)器人的核心特征：安全、自主的“人-機(jī)器人-物理世界”的交互。德國(guó)于2013年4月推出“工業(yè)4.0計(jì)劃”，指出智能工廠、智能生產(chǎn)是第四次工業(yè)革命的主題，通過智能機(jī)器人、機(jī)器設(shè)備以及人之間的相互合作，提高生產(chǎn)過程的智能性。日本機(jī)械學(xué)會(huì)將機(jī)器人作為其10個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向之一。新的社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)表明，未來新一代機(jī)器人系統(tǒng)表現(xiàn)為更全面模仿人類，機(jī)器人與人之間更多的是一種和諧共存、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的合作伙伴關(guān)系，與人共融成為新一代機(jī)器人系統(tǒng)的最本質(zhì)特征。

由于共融機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，掌握其先進(jìn)技術(shù)的發(fā)達(dá)國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，我國(guó)的相關(guān)研究以自力更生為主。2016年8月，國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃，瞄準(zhǔn)國(guó)際機(jī)器人研究前沿，圍繞人-機(jī)-環(huán)境共融的機(jī)器人基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)方法，通過機(jī)械、信息、力學(xué)等多學(xué)科交叉，在剛-柔-軟耦合柔順結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)、多模態(tài)環(huán)境感知與人體行為意圖理解、群體智能與分布式機(jī)器人操作系統(tǒng)等方面取得創(chuàng)新性研究成果，有望占領(lǐng)共融機(jī)器人技術(shù)制高點(diǎn)，培養(yǎng)一批具有國(guó)際影響力的中青年學(xué)術(shù)骨干和帶頭人，提升我國(guó)機(jī)器人研究的整體創(chuàng)新能力和國(guó)際地位。

未來，世界各國(guó)將加速機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)，特別是隨著人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)將與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)深度融合。共融機(jī)器人被視為人類未來幾十年技術(shù)進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要方向與領(lǐng)域，各國(guó)紛紛出臺(tái)各類中長(zhǎng)期推進(jìn)計(jì)劃，如美國(guó)的國(guó)家機(jī)器人計(jì)劃、歐盟的Robotics系列計(jì)劃、日本的《機(jī)器人白皮書》等。共融機(jī)器人的發(fā)展浪潮對(duì)我國(guó)科技工作者來說，既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。

深海航行器是共融機(jī)器人的重要應(yīng)用與發(fā)展領(lǐng)域，深海環(huán)境的特點(diǎn)是高壓、黑暗、低溫、缺氧等，人體和普通設(shè)備都很難在這種條件下完成工作，深海航行器成為開發(fā)海洋的核心工具。當(dāng)前，以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家在深海航行器研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其成果也在各類應(yīng)用場(chǎng)景中嶄露頭角。2014年初，在馬來西亞航空公司MH370失聯(lián)客機(jī)水下搜救行動(dòng)中，美國(guó)動(dòng)用了多臺(tái)“藍(lán)鰭金槍魚”號(hào)無人無纜水下機(jī)器人（AUV）進(jìn)行4500米的深海大規(guī)模水下協(xié)作搜索。雖然未找到失聯(lián)客機(jī)，但AUV成為深海跟蹤搜索的首選工具，甚至是唯一選擇，表明了美國(guó)等西方國(guó)家在這一領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。最近，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局正在開展的“深海行動(dòng)計(jì)劃”（Deep Sea Operation Project，DSOP）是典型的多AUV共融跟蹤系統(tǒng)，它涉及AUV與AUV之間、AUV與深海環(huán)境的融合，跟蹤AUV能在水下6 000米潛航，并秘密潛伏于敵對(duì)潛艇下方實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)追蹤監(jiān)控。同時(shí)，它能夠利用AUV之間的水聲通信系統(tǒng)，當(dāng)某個(gè)AUV出現(xiàn)故障時(shí)，通過系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)共融，由其他AUV代替故障AUV進(jìn)行工作，從而提升系統(tǒng)容錯(cuò)搜索能力。

深海航行器是共融機(jī)器人的重要應(yīng)用與發(fā)展領(lǐng)域，深海環(huán)境的特點(diǎn)是高壓、黑暗、低溫、缺氧等，人體和普通設(shè)備都很難在這種條件下完成工作，深海航行器成為開發(fā)海洋的核心工具。

我國(guó)深海航行器基礎(chǔ)理論前沿研究方向

深海航行器基礎(chǔ)理論創(chuàng)新研究是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石。近年來，深海航行器領(lǐng)域在諸多方面取得了重要進(jìn)展，如深海航行器水下仿生控制理論與技術(shù)、水下軟體機(jī)器人的抓取技術(shù)、多航行器水下協(xié)作作業(yè)技術(shù)等。但是，真正實(shí)現(xiàn)有效可靠的應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化，還有不少關(guān)鍵共性技術(shù)有待突破。當(dāng)前，深海航行器基礎(chǔ)理論研究前沿主要集中在以下幾個(gè)方面。

● 深海航行器水下環(huán)境自主感知技術(shù)

水下圖像處理是航行器水下環(huán)境感知的前提要件。與水上環(huán)境相比，無論是光視覺傳感器還是聲吶傳感器，都存在水下成像效果差的缺陷。目前，無論是對(duì)聲吶圖像還是水下光學(xué)圖像來說，均沒有通用的處理模型和方法來適應(yīng)所有水下環(huán)境，而且相關(guān)處理算法還存在實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性的矛盾。因此，針對(duì)水下特殊環(huán)境，急需研究出計(jì)算量小、既能滿足實(shí)時(shí)性又能較準(zhǔn)確提取環(huán)境信息的模型和方法，實(shí)現(xiàn)水下光視覺和聲學(xué)圖像的快速、準(zhǔn)確處理。

● 深海航行器自主路徑規(guī)劃避障方法

航行器水下作業(yè)大多是在海底條件極其惡劣的情況下展開的，水下環(huán)境分布著大量的障礙物，包括礁石、海底火山、沉船和移動(dòng)的冰山等，航行過程中必須安全避開這些障礙物，這是開展水下作業(yè)的必要前提。傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法主要包括可視圖法、柵格地圖法、自由空間法、拓?fù)浞?、模板匹配法等，大多只能用于解決靜態(tài)障礙物環(huán)境下的路徑規(guī)劃與安全避障問題。水下環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，環(huán)境信息具有多變性和不確定性，因此，傳統(tǒng)路徑規(guī)劃技術(shù)無法滿足實(shí)際的水下路徑規(guī)劃需要。隨著現(xiàn)代路徑規(guī)劃研究的不斷發(fā)展，一些新的、適用于不確定動(dòng)態(tài)水下環(huán)境的路徑規(guī)劃方法需要深入研究，如仿生智能路徑規(guī)劃方法、啟發(fā)式搜索路徑規(guī)劃方法等。

● 深海航行器軌跡跟蹤控制技術(shù)

水下跟蹤控制是深海航行器最基本的水下運(yùn)行狀態(tài)。但是，目前幾乎所有跟蹤圍捕研究報(bào)道均是跟蹤圍捕算法頂層設(shè)計(jì)與仿真，少見跟蹤圍捕算法的航行器底層動(dòng)力學(xué)控制設(shè)計(jì)。實(shí)際上，任何跟蹤圍捕算法最終都要通過水下航行器的動(dòng)力學(xué)控制實(shí)現(xiàn)，而且航行器驅(qū)動(dòng)能力都存在一定的上下限限制，常規(guī)控制方法常常會(huì)出現(xiàn)跟蹤控制律驅(qū)動(dòng)飽和問題。因此，針對(duì)水下航行器有限驅(qū)動(dòng)能力的軌跡跟蹤動(dòng)力學(xué)控制律設(shè)計(jì)是深海航行器軌跡跟蹤控制亟待解決的核心技術(shù)之一。

我國(guó)深海航行器的研制進(jìn)展

創(chuàng)新的歷史性跨越，也為正在研制的全海深載人作業(yè)潛水器奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2017年9月，深?？瓶夹蚏OV系統(tǒng)的成功研制，填補(bǔ)了我國(guó)6000米級(jí)深海ROV空白，使我國(guó)跨入美國(guó)、日本、法國(guó)等世界上少數(shù)擁有6000米級(jí)ROV的國(guó)家行列。2017年12月，國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“全海深無人潛水器AUV關(guān)鍵技術(shù)研究”正式啟動(dòng)，將研制能夠探訪位于海底11000多米馬里亞納海溝的AUV集成驗(yàn)證系統(tǒng)，向全球海洋最深處發(fā)起沖擊。

我國(guó)的深海航行器設(shè)計(jì)與研制可分為載人水下機(jī)器人（Human Occupied Vehicle，HOV）， 遙控機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和無人無纜水下機(jī)器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）三大領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年自主研發(fā)的艱辛歷程，我國(guó)的深海航行器從少量研制到成熟運(yùn)行，在提高技術(shù)性能與國(guó)產(chǎn)化率等方面不斷突破，部分單機(jī)性能與國(guó)外相齊，已逐漸成為探索海洋的一支生力軍。

2017年，“深海勇士”號(hào)HOV在南海陸續(xù)完成全部海上試驗(yàn)任務(wù)，標(biāo)志繼“蛟龍”號(hào)HOV后，我國(guó)深海裝備又添重器。4500米級(jí)“深海勇士”號(hào)HOV是在7000米級(jí)“蛟龍”號(hào)HOV基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，它最大的特點(diǎn)是國(guó)產(chǎn)化率遠(yuǎn)高于“蛟龍”號(hào)，主要體現(xiàn)在深海載人艙設(shè)計(jì)與建造、深海浮力材料、深海推進(jìn)器系統(tǒng)、深海機(jī)械手這些大型核心部件均實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)深海裝備由集成創(chuàng)新向自主

關(guān)于我國(guó)深海航行器行業(yè)發(fā)展的建議

隨著人類對(duì)海洋探索的不斷深入，深海航行器已得到世界各國(guó)的高度重視，雖然我國(guó)起步相對(duì)較晚，但目前已經(jīng)歷了從“追趕”“跟跑”到“并跑”的過程。如今，伴隨國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，作為人類深海探測(cè)與開發(fā)的重要工具，深海航行器的基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)都迎來了巨大的機(jī)遇。在當(dāng)前形勢(shì)下，需要政府、高?？蒲性核捌髽I(yè)形成合力，通過政府的大力引導(dǎo)、高校科研院所的技術(shù)攻關(guān)、企業(yè)的應(yīng)用示范等方面來推動(dòng)深海潛水器行業(yè)快速發(fā)展。

● 加強(qiáng)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究

抓住人工智能技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，推進(jìn)人工智能技術(shù)與共融機(jī)器人技術(shù)結(jié)合，在深海航行器技術(shù)系統(tǒng)中大量應(yīng)用人工智能技術(shù)，如基于深度學(xué)習(xí)算法在水下聲吶圖像學(xué)習(xí)與水下環(huán)境感知方面應(yīng)用、生物啟發(fā)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在深海航行器水下路徑規(guī)劃與軌跡跟蹤控制方面應(yīng)用等。

● 增強(qiáng)資金投入與應(yīng)用推廣力度

增強(qiáng)對(duì)深海航行器研發(fā)的投資力度，合理分配研究資源及經(jīng)費(fèi)，以具有實(shí)用意義的技術(shù)、產(chǎn)品、專利為導(dǎo)向，加大深海航行器系統(tǒng)的研發(fā)，特別是有廣泛需求的無人航行器系統(tǒng)研發(fā)。進(jìn)一步推進(jìn)深海航行器系統(tǒng)在民用與國(guó)防軍事領(lǐng)域應(yīng)用推廣，如水下搜救、深海搜索、深?？碧降阮I(lǐng)域。

● 重視復(fù)合型人才培養(yǎng)與搭建學(xué)術(shù)交流平臺(tái)

人才培養(yǎng)是深海航行器行業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力。一方面，建議注重加強(qiáng)理論與研發(fā)兼顧的復(fù)合型人才培養(yǎng)。我國(guó)科研院校一般以發(fā)表研究論文作為人才評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為了培養(yǎng)深海航行器行業(yè)優(yōu)秀人才，建議調(diào)整培養(yǎng)方案，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中直接面對(duì)研發(fā)實(shí)際問題，理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作并重。另一方面，鑒于深海航行器領(lǐng)域國(guó)際間及國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)交流較少的特殊情況，建議搭建專門的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)與組織，如在中國(guó)海洋學(xué)會(huì)中增設(shè)水下航行器專業(yè)委員會(huì)等。