无缆自治水下机器人（AUV）研究现状摘要：从上世纪90年代中期以来，自主式水下航行器(AUV)在海洋科学调查以及军事领域得到越来越广泛的应用。

本文主要介绍了AUV的发展现状、应用以及所涉及的基本技术。

1 前言水下机器入主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯称为遥控潜器(Remote Operated Vehicle，简称ROY)；另一类是无缆水下机器人，习惯称为自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。

自治式水下机器人是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。

例如，在民用领域，可用于铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工，水下设备维护与维修等；在军用领域则可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等。

由于无缆水下机器人具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等优点，所以从60年代中期起，工业界和军方开始对无缆水下机器人发生兴趣。

美国华盛顿大学于1973年建成两艘“SPURV”无缆水下机器人，随后又成功地建造了“UARS”无缆水下机器人；世界上第一艘潜深达到6000米的无缆水下机器人是法国人建造的“EPAULARD”；进入90年代，无缆水下机器人技术开始走向成熟.我国的水下机器人研究也日趋成熟，我国中科院沈阳自动化研究所于1995 年研制CR—01型6000米自治水下机器人，标志着我国自治水下机器人的总体水平跻身于世界先进行列，使我国成为世界上拥有这项技术和设备的少数国家之一。

2008年3月研制的6000米自治水下机器人在某些技术指标上超过了CR—01型，CR—02型能穿透50米厚的泥层，除了深海复杂环境下的海底矿产资源调查，CR--02型也可以应用于失事舰船调查和深海科学考察。

2 AUV的应用现状AUV是一种理想的测量仪器平台，由于噪声辐射小，可以贴近要观测的对象(如以设定高度进行海底地形跟踪)，因而可以获取采用常规手段不能获取的高质量数据和图像。

加之造价低，隐蔽性好，安全性高(无人)，使AUV正逐步成为海洋观察和探测的重要手段。

2.1 在水雷搜索中的应用AUV在军事上的应用比较广泛，主要包括水下目标的搜索，海底侦察和潜艇训练(以AUV作声靶)等。

目前美国和挪威等国家正在加紧研究AUV在水雷搜索中的应用。

2.2 在海洋科学调查中的应用这类应用非常广泛，AUV是一个理想的传感器及观测设备平台。

通过配置不同类型的观测设备，AUV可以完成不同的调查任务，如海洋矿产资源和海洋生物资源等的调查旧。

根据续航能力，调查型AUV可以分为远程和近程两类，前者用于远距离(>100 km)考察，而后者用于近距离(<l00 km)的考察，总的来说，远程AUV通常体形较大，且具有流线型体形，如鱼雷形状以减少阻力，而近程AUV则大小和形状各异。

2.3在水下作业中的应用调查型AUV通常只对调查对象进行观测而无物理接触，对周围环境没有干预能力。

作业型AUV则除了观测外，还可就对象进行简单操作。

这种AUV与一般的调查型AUV不同在于，它们配置了作业机械手，此外还具有悬停能力(配置多个推进器)。

这是今后AUV发展的一个重要方向。

3 AUV的技术现状尽管现有AUV的外形尺寸、续航力以及工作深度差异很大，但它们所面临的技术问题大体相同，主要有能源技术、水下承压与密封技术、导航自主避障以及通讯技术与控制技术。

3.1能源技术能源是AUV的关键技术之一，其续航力、航速和负载能力均受制于可用能源，而可用能源又取决于类型、容许的质量和空间等。

目前多数AUV采用电动力，电能来自所携带的电池组。

尽管能量密度较低(单位重量能量)和比能量(单位体积能量)较小，但考虑到成本、寿命、方便性、可维修性、安全性及构件供应的连续性等因素，电池尤其是一次电池和可充电电池(如锂电池)在较长时期内仍将占据主导地位。

从长远看，燃料电池将很有前途，因它具有运行寿命长、工作电流大、比功率高、比能量和能量效率高、无污染及贮气瓶可为AUV提供浮力等优点。

3.2 水下承压及密封技术目前AUV的计算机、电子元器件和电池组一般都被放置在一个或数个耐压舱中。

耐压舱的强度决定了AUV的工作深度，此外采用比重量轻的耐压舱还可提高AUV的续航力。

目前耐压舱的形状主要为带半球形封盖的圆柱体，而其材料主要有金属材料和复合材料。

金属材料中最常用的是铝合金。

由于钛合金具有良好的机械性能、抗腐蚀性能和无磁性，可以预计随着成本的降低以及制造工艺的改进，钛合金将得到广泛应用。

复合材料主要是碳纤维材料，如美国的AUSS耐压舱(长2.2 m，直径0.78 m)采用碳纤维塑料，工作深度达到6000m。

3.3 导航技术AUV在水下自主航行时的定位主要是依惯性导航系统。

惯性导航的基本原理是，根据加速度计与速率陀螺的测量值，用积分方法推算出位置。

由于声纳技术的进步，目前较先进的AUV基本不采用加速度计而是采用多普勒测速仪，因为它可以直接测出AUV相对于海底的3D速度而无需积分。

采用多普勒测速仪与光纤陀螺相结合的导航方法，仍然不可避免的产生累积误差(导航精度为航程的O．2％)。

为消除这种偏差，目前主要采用：(1)利用GPS修正，即让AUV在其路途中的一系列位置上浮，接受GPS信号以修正当前位置；(2)辅助导航，在作业区域布置如长基线阵。

需要指出的是，后一种方法只能在短距离内有效。

3.4自主避障AUV在水下空间定位可由GPS和惯导等方式确定，但在局部不确定环境下，AUV 需通过声呐等传感器采集环境数据，并通过一定的算法把采集到的环境数据进行分析和处理，用来建立外部环境的障碍物模型，使之正确、全面地反映外部环境的特征，为避障决策提供正确的依据，实现自主避障。

3.5 通讯技术AUV的控制指令、裁体的状态反馈及图像信息，目前还是以水声通讯来实现，由于声音在水中的传播速度远远低于光速，因此产生很大传输时延，难以对水下机器人实现实时控制，而且传输的距离又受载波频率和发射孔率的限制。

目前通讯距离仅l0千米左右，使水下机器人作业空间受到限制。

激光通讯是正在开发的一种通讯手段，蓝绿激光在水中的吸收最小。

美国利用蓝绿激光实现了空中对水下100米深处的潜艇的通讯。

利用飞机、卫星进行空中转发是实现水中大范围通汛的一种有效手段，但目前蓝绿激光器的体积过太，效率低，能源消耗大，尚不能用于AUV。

3.6控制技术AUV控制系统是其机器智能的核心，其硬件包括不同带宽的导航仪器、任务传感器、系统传感器、推进器、执行机构、多个CPU及多个电源等。

为有效管理硬件间的传感器/数据流，需选择合理的软件体系结构。

与普通机器人相似，目前AUV控制系统采用的软件体系结构并不统一，大概有几十种一，这些结构各有优劣。

就具体的AUV而言，采用何种体系结构需综合考虑其能控性、稳定性、响应速度、通信、数据管理和模块化等。

软件体系中的各模块大体可分高层任务规划模块和低层控制模块，前者根据任务需要产生导航或决策等指令，而后者则根据传感器信息及导航/决策指令产生控制指令以驱动执行机构。

需要指出的是，低层控制模块(如深度/高度控制和航向控制)通常需要根据AUV的动力学来设计。

考虑到AUV模型不确定性和环境干扰(如海流等)，低层控制模块必须具有足够的鲁棒性。

4 AUV的发展方向AUV 代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。

当前AUV的发展趋势为更深、更远、功能更强大，特别是未来海上作战等军事需求的增加，给AUV 的发展带来了无限生机，也预示着AUV 开始走向应用阶段。

4.1更深——向深海发展地球上97%的海洋深度在6000 米以上，称之为深海。

研制6000 米的潜水器是许多国家的目标。

美国、俄罗斯、法国、中国等都拥有自己的6000 米级的AUV。

尽管ROV和载人潜器也能达到这个深度，但发展AUV 比其它潜器的造价要低得多，更经济。

4.2 更远——向远程发展AUV 的分类方法有几种，其中一种是按照航程的远近分为远程和近程两类。

所谓远程是指AUV 一次补充能源连续航行超过100 海里以上，而小于100海里称为近程。

远程AUV 涉及的关键技术包括能源技术、远程导航技术和实时通信技术。

因此，许多研究机构都在开展上述关键技术的研究工作，以期获得突破性的进展。

也只有在上述关键技术解决后，才能保证远程AUV 计划的实施。

4.3功能更强大——向作业型及智能化方向发展现阶段的AUV 只能用于观察和测量，没有作业能力，而且智能水平也不高。

将来的AUV 将引入人的智能，更多地依赖传感器和人的智能。

还要在AUV上安装水下机械手，使AUV 具有作业能力，这是一个长远的目标。

5 结论总的来说，随着关键技术的日趋成熟，AUV的应用前景将十分广阔，新的应用领域会不断涌现。

需要特别指出的是，对环境具有干预能力的AUV在其中将会扮演重要角色。

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