自主水下航行器

自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）从20世纪后半叶诞生之日起，就伴随着人类认识海洋、开发海洋和保护海洋的进程不断发展。近年来，作为水下的重要探测装备，AUV形成了多种类型、多种型号和系列化产品，完成了大量的海洋环境探测与数据采集，为科学考察和海洋工程提供了更加丰富的海洋数据。

10.1.1 国内外发展现状

美国具有代表性的AUV主要有Bluefin公司研制的Bluefin系列AUV，Hydroid公司（已被挪威Kongsberg公司收购）研制的REMUS系列智能水下机器人AUV等。Bluefin系列包括了Bluefin-9，Bluefin-12和Bluefin-21（图10-1），重量从50kg到750kg，潜深从200m到4500m，续航能力从12h到30h。依据搭载能力，可装备双频侧扫声呐、海底浅剖声呐、多波束测深声呐、GPS、惯导单元、多普勒速度计、CTD、水下摄像机、荧光计、浊度传感器等有效载荷模块。Hydroid公司研制的REMUS（Remote Environmental Monitoring Units）系列AUV共有REMUS100，REMUS600，REMUS3000和REMUS6000等多个型号（图10-2），重量从37kg到862kg，潜深从100m到6000m。依据航行速度和搭载设备的配置，其续航能力一般为22h，可装备的探测设备种类与Bluefin基本相同。

英国BAE系统公司研发的“Talisman-泰利斯曼”多用途AUV是其发展网络环境下“智能自主”系统战略的一部分，可装载海洋调查设备、猎雷声呐和其他传感器，续航力超过24h，航行距离约为200km。该AUV采用Wi Fi通信、视距无线通信和铱星通信，水下采用水声通信。

法国也是AUV技术水平较高的国家之一，早期研制的Epaulard型和Nautile型AUV最大下潜深达6000m，完成过多次深海调查活动。近年研制的Alister AUV（图10-3），能在水下3000m自主执行监视和绘图等任务，可携带100kg重的设备航行24h。

图10-1 Bluefin公司各型 AUV（http：//www.bluefinrobotics. com/vehicles-batteries-and-services/）

图10-2 REMUS各型AUV（http：//www. whoi.edu/page.do？pid=38175&tid=7842&cid=39133）

图10-3 Alister智能水下机器人（a）及其对海底管道的跟踪探测（b）

德国STN公司在2007年研制了Deep CAUV，重2.5吨，作业水深4000m，续航时间约50h，最大装载能力为250kg。可执行水下管线检测、海底电缆铺设、海床勘探和海底资源调查等任务。在Deep C的研制中使用了许多新技术，包括碳纤维增强塑料、缩微燃料电池、长航时水下导航系统等。

加拿大近年研制了新的模块化AUVExplorer（图10-4），作业深度为300～5000m，重量700～1250kg，携带有24k Wh的锂离子电池，最大航速为5节。在3kn航速下，并携带75W载荷的情况下能连续航行120km，增加一个电源舱模块后航行距离可加倍。

图10-4 模块化AUV Explorer

俄罗斯早在20世纪60年代就开始研制AUV，其研制的典型平台是MT88，主要用于海底目标探测、区域搜索和探测失事舰船等目的。MT88型AUV的潜航深度为6000m，续航力为6h，巡航速度最大为2kn，曾被用来成功地探测到失事的核潜艇。

国内从20世纪90年代初开始了AUV技术的研究，但由于受到当时关键设备与技术水平的限制，任务侧重在300m以浅的海域。从1992年6月起，中科院沈阳自动化所联合国内若干单位，通过引进俄罗斯技术，在俄罗斯MT88AUV的基础上，针对我国对国际海底资源调查的需要，研制了“CR01”型潜深6000m、续航力约10h的AUV，并于1997年6月，成功地完成了太平洋某区域的深海考察。“CR01”6000m AUV的研制成功，使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000m AUV的少数国家之一。在此基础上，于90年代后期又研制了“CR02”型AUV。哈尔滨工程大学联合华中科技大学、中船重工第702所和709所三家单位，共同开展了AUV技术研究，独立自主研制了多种型号、系列化的AUV试验样机，实现了多种水下自主作业演示试验，并在国内首先实现了110km的自主航行（2005年），以及首次利用自主研制的AUV完成了海底沉船的探测试验和海底地形地貌的探测试验（2010年）。

“十二五”期间，在国家对海洋科学考察、深海资源探测、海洋工程的油气管道探测等需求牵引下，国内开始了较大深度的AUV的研制开发。其中，科技部确定了可潜深1000m、最大速度5节、2节速度下续航力36h的小型海底地形地貌探测AUV研制项目和可潜深4500m的大洋矿物探测AUV研制项目（图10-5）；工信部确定了可潜深2000m的海底管道探测跟踪AUV的研制项目；某部委确定了极限水深2000m、最大速度8节、2节速度下续航力36h的海底特种目标探测定位的AUV研究项目和多AUV协同探测作业研究项目等。

图10-5 “海灵”号AUV（a）和“潜龙二号”AUV（b）

总体上，经过20余年的研究，国内在AUV的运动控制、水下目标图像的处理和特征提取、水下运动目标的自主追踪等方面取得了世界一流的成果，发表了大量的高水平论文。在系统优化设计和集成、水下推进器研制和承压电池组研制等方面取得了很大进展，在深水浮力材料研制、复合材料应用、水下高精度导航装置研制、水下高分辨率声学探测装置和水声通信装置研制等方面也取得了较大进步，形成了很多可用的产品，填补了国内空白。目前，国内在AUV的智能理论与方法研究、多AUV协同控制研究、系统与设备的高可靠性硬软件研究等方面与国外相比还有一定欠缺，在开展实际海上应用方面差距较大。

10.2.2 AUV技术发展趋势

AUV通常采用电池供电、卫星通信、声学导航，其“大脑”是一片或多片嵌入式微处理器。AUV在水下的导航基于对航速、航向和姿态的测量以及利用声呐测速，并周期性地浮上水面利用卫星全球定位系统校正航行误差（张燕武，2016）。

近年来，随着海洋油气工业的发展，特别是深海油气工程的发展，对海洋调查、海底考察、海底管线探测等方面的需求越来越大。传统的深拖完成上述作业成本高且效率低。所以，采用AUV进行深海探测和考察，已成为国际上海洋科学考察和海洋石油工业的发展趋势。另外，通过AUV的探测和定位，可为载人潜水器（HOV）或无人遥控潜水器（ROV）的定点精细作业提供准确的小范围区域，从而大大减少搜索时间，提高作业效率。AUV的优点是对母船的依赖程度小，甚至有不依赖于母船的，水下活动范围大，并可在大潜深下自主工作，特别适用于深海海底自动观测，并能通过水声定位较准确地确定海底目标的大地坐标。

AUV能对地形跟踪航行，即在保持与海床的同一高度上进行航行和探测，而水面船拖曳的声呐系统（拖鱼）就很难做到这一点，因而，AUV获得的海底图像数据的质量高于拖曳声呐的图像。另外，在800m以深的深海探测中，拖鱼探测数据的位置偏差可能较大，探测的效率可能降低，而AUV可通过调整航向，比较精确地保持在指定航线上，转弯速度快，提高了探测效率。

目前，应用于海洋科学研究和海洋工程领域的AUV正朝着适应大潜深、大航程、模块化、多功能和高可靠性的方向发展。另外，为了提高工作效率和探测范围，多AUV协同探测也是重点发展方向。与单个AUV相比，多AUV系统能大幅缩短探测时间，从而更为及时地完成特定区域的环境感知。同时，多AUV凭借其空间分布性的特点，可完成大范围内特定物理量的同时探测，从而得到某些物理量的空间描绘，并在此基础上实现对其演变过程的预测，这是单个AUV无法做到的。