在今年舉行的全國科技創(chuàng)新大會、中國科學(xué)院第十八次院士大會和中國工程院第十三次院士大會、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會第九次全國代表大會上，國家主席習(xí)近平多次提到深海科研，在總結(jié)科技成就時指出，載人深潛、高鐵、航母等工程技術(shù)成果，為中國成為有世界影響力的大國奠定了重要基礎(chǔ)。習(xí)近平指出：“深海蘊藏地球上遠未認知和開發(fā)的寶藏，要得到這些寶藏，必須在深海進入、深海探測、深海開發(fā)等方面掌握關(guān)鍵技術(shù)?！?/p>

水下無人機，作為走向深海的戰(zhàn)略裝備，目前世界各海洋強國在這一領(lǐng)域正展開激烈角逐。那么，在這一領(lǐng)域，其發(fā)展現(xiàn)狀如何？我們正面臨哪些問題和挑戰(zhàn)？

水下無人機關(guān)鍵技術(shù)最新應(yīng)用與進展

水下無人機是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的裝置。

水下無人機（UUV）可分為三大類：一類是有纜水下無人機，習(xí)慣稱拖曳式水下無人機（簡稱TUV），一類是遙控潛器(簡稱ROV)；另一類是無纜水下無人機，習(xí)慣稱為自治式水下潛器(簡稱AUV)。從第一代上世紀60年代的有人深潛器開始，迄今已經(jīng)過了ROV（70年代）、AUV（80年代）和混合類型的第四代的演進。

水下無人機的應(yīng)用自誕生以來就主要服務(wù)于民用和軍用兩個方面：海洋資源的研究和開發(fā)，海洋環(huán)境監(jiān)測、海洋資源勘察、海洋科學(xué)研究等屬于傳統(tǒng)民用領(lǐng)域，結(jié)合最新移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，又有了很多新的形態(tài)。

德國弗勞恩霍夫制造技術(shù)和應(yīng)用材料研究院開發(fā)的帶有應(yīng)變儀的具有具有觸覺系統(tǒng)的水下無人機。具有觸覺感知能力的應(yīng)變儀實際上是一種打印條碼，僅有幾十微米寬，是人體頭發(fā)直徑的一半，因此這種應(yīng)變儀可以彼此近距離排列，水下無人機能夠精確地感知到障礙物的狀況。

加拿大科學(xué)家開發(fā)出使用腳蹼游動水下無人機，這款機器人名為AQUA，小巧靈活，使用腳蹼而非推進器游動，設(shè)計用于從沉船地和暗礁處搜集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

浙江大學(xué)在今年OI中國水下無人機大賽獲得一等獎的“基于手機控制的水下直升機”。它利用手機應(yīng)用軟件和藍牙功能操控水下無人機，實現(xiàn)機器人的自主垂直升降，創(chuàng)新性很強。

另一方面，水下無人機軍用目的研究日益增多，這也揭示了在新形勢下各國對自身海洋權(quán)益的重視，零傷亡是未來戰(zhàn)爭中的選擇，因而使得無人武器系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中的地位倍受重視，其潛在的作戰(zhàn)效能越來越明顯。作為無人武器系統(tǒng)重要組成部分的水下無人機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、目標(biāo)識別、情報收集和數(shù)據(jù)通訊，將大大地擴展了水面艦船或潛艇的作戰(zhàn)空間。尤其是自主航行的水下無人機，它們能夠更安全地進入敵方控制的危險區(qū)域，能夠以自主方式在戰(zhàn)區(qū)停留較長的時間，是一種效果明顯的兵力倍增器。更重要的是，在未來的戰(zhàn)爭中，“以網(wǎng)絡(luò)為中心”的作戰(zhàn)思想將代替“以平臺為中心”的作戰(zhàn)思想，水下無人機將成為網(wǎng)絡(luò)中心站的重要節(jié)點，在戰(zhàn)爭中發(fā)揮越來越重要的作用。目前各國重點研究的應(yīng)用包括：水雷對抗、反潛戰(zhàn)、情報收集、監(jiān)視與偵察、目標(biāo)探測和環(huán)境數(shù)據(jù)收集等。也越來越提高到戰(zhàn)略的層次，這將會帶給水下無人機快速發(fā)展帶來契機。

關(guān)鍵問題及挑戰(zhàn)

正如所有的科學(xué)探索一樣，有成功也有失敗，其中“海神號”在2014年5月10日探索新西蘭克馬德克海溝時在水下9990米處失蹤，根據(jù)后來海面上漂浮的潛水器的碎片分析，可能的情況是，潛水器的陶瓷層在數(shù)千米深的海中崩潰。因此，水下無人機本體所需的各種材料及技術(shù)仍需要繼續(xù)提升。除上述共性問題外，還有幾個特殊問題。

1.水下無人機控制問題

水下無人機是在水中運動的具有六個自由度的剛體，它本身就是一個強耦合的非線性系統(tǒng)；由于在水中運動，水動力(阻力)系數(shù)和運動速度的平方成比例；采用螺旋槳推進，推力和螺旋漿轉(zhuǎn)速平方成正比。這一切使得控制問題變得很困難，特別是要求在定點進行作業(yè)時，上述原因造成在零速時的“零增益、零阻尼”現(xiàn)象，使得動力定位控制系統(tǒng)的剛度很難滿足定點作業(yè)的要求。這是一個有待研究的問題。下圖是兩種水下無人機的控制原理。

TUV和ROV控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)發(fā)展

TUV和ROV水下無人機的控制技術(shù)既有相同之處，也有不同之處，但兩者的控制機理是相同的。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度來看，它們的底層控制相同，只是高層控制有所不同，有纜水下無人機(ROV)控制系統(tǒng)的設(shè)備總體上可以分為三部分：

水上控制設(shè)備：水上控制設(shè)備的功能是監(jiān)視和操作水下載體，并向水下載體提供所需的動力。

水下控制設(shè)備：水下控制設(shè)備的功能則是執(zhí)行水面的命令，產(chǎn)生需要的運動以完成給定的作業(yè)使命。

臍帶電纜：臍帶電纜用來傳遞信息和輸送動力。

具體來說，ROV控制系統(tǒng)由航行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、作業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)、水面支持設(shè)備控制系統(tǒng)、電纜等構(gòu)成。目前，隨著計算機技術(shù)在ROV中的廣泛應(yīng)用，人們將采用更新型技術(shù)，如多媒體技術(shù)、臨場感技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，更形象化地實現(xiàn)對ROV的控制。任何事物總是一分為二的，ROV的臍帶電纜是一個不利因素，它約束了ROV的活動范圍，增加了水面設(shè)備的成本，在復(fù)雜環(huán)境中尤其迸入復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部將危害著ROV的安全，因而解脫這種束縛是各國水下無人機專家追求的目標(biāo)，這就是自治水下無人機AUV技術(shù)得以發(fā)展的理由。

AUV的控制問題

AUV的控制涉及如機器視覺、環(huán)境建模、決策規(guī)劃、回避障礙、路徑規(guī)劃、故障診斷、坐標(biāo)變換、動力學(xué)計算、多變量控制、導(dǎo)航、通訊、多傳感器信息融合以及包容上述內(nèi)容的計算機體系結(jié)構(gòu)等多方面內(nèi)容。AUV控制類型劃分如下：

預(yù)編程型：指AUV在完成使命的過程中完全執(zhí)行預(yù)定的程序，在機器人下水前，操作人員根據(jù)使命需求，采用專門的語言編制使命程序，并將使命程序下裝到機器人上的控制計算機中。

智能型：通過路徑規(guī)劃，根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境的反饋信息，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等人工智能方法動態(tài)自主調(diào)整機器人的各種狀態(tài)，做到水下無人機的自適應(yīng)和自主控制。

2.無人機回收問題

目前，除較為平靜的內(nèi)河和湖泊外，深水AUV水面回收是不現(xiàn)實的，這是因為深海區(qū)浪涌很大。海試經(jīng)驗表明，在4000米水深的洋面，風(fēng)平浪靜時浪涌也在3米以上，這則很難保證回收時，機器人本體和回收裝置在同一水平的波面上，這將帶來極大的危險，因此還是一個至今還沒有完全解決的問題。50～100米回收是唯一可行的方案，從使用角度來看，這是十分重要，它的解決，將大大減少回收時人身及設(shè)備的危險。

水下無人機的本體

潛水器：潛水器是攜帶觀察和作業(yè)工具設(shè)備的運動載體。在開式框架結(jié)構(gòu)件上方的浮力塊，保證潛水器全負荷時水中浮力基本為零；在水平、側(cè)向和垂直方向都裝有推進器，從而可實現(xiàn)三維空間的運動?？蚣芮安炕虮匾牡胤桨仓迷婆_，在其上裝有電視攝像機和照明燈。常規(guī)的傳感器包括：成像聲納、羅盤、深度壓力傳感器、高度計等。水下電子單元包括：水下計算機、驅(qū)動器、控制模塊，安裝在常壓的密封倉內(nèi)。系統(tǒng)監(jiān)視所需要的傳感元件包括：動力、壓力、溫度、漏水等。

中繼器：為了能迅速、準(zhǔn)確地將潛水器送到預(yù)定工作水深和較快地收回到水面，同時為了減弱母船搖擺及臍纜所受海流阻力給潛水器運動和作業(yè)帶來的附加阻力、干擾和影響，一般有纜遙控水下無人機配置中繼器。中繼器內(nèi)儲存系纜，并裝有系纜驅(qū)動收放機構(gòu)，潛水器非工作狀態(tài)時將與中繼器聯(lián)鎖在一起。

吊放系統(tǒng)：用以投放、回收中繼器和潛水器。吊放系統(tǒng)通常采用門形結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動，并設(shè)有消擺機構(gòu)和臍帶電纜的儲存。

系纜：用于潛水器和中繼器之間機械軟連接及能源饋送和信息傳輸。系纜套穿浮力材料以使其在水中為零浮力，從而減小水流阻力對本體的干擾。

皚裝主纜：在吊放架與中繼器之間完成機械軟連接、能源輸送、信息傳輸?shù)淖饔?。它是鋼絲皚裝結(jié)構(gòu)，以便同時起到吊放鋼纜的作用，

觀察作業(yè)設(shè)備：在運動載體上安裝攝像機、成像聲納，構(gòu)成載體的基本系統(tǒng)。在需要作業(yè)時，可再加裝1～2水下機械手和多種水下作業(yè)工具。

吊放及絞車系統(tǒng)

吊放系統(tǒng)是將中繼器與水下無人機本體安全、迅速地施放和回收的必配設(shè)備，同時承受連接母船控制臺與機器人本體之間的電力控制和數(shù)據(jù)信息的傳輸。

吊放系統(tǒng)組成：由底架、U形門架(懸臂吊架)、滑輪、鎖栓機構(gòu)、皚纜絞車、導(dǎo)電滑環(huán)以及液壓動力系統(tǒng)組成。

對吊放系統(tǒng)的要求：具有良好的工作可靠性；足夠的結(jié)構(gòu)強度；收放時皚裝主纜鎖緊的可靠性，施放過程中的制動能力和緩沖能力。

3.水下無人機的通信問題

和通信直接相關(guān)的有兩個系統(tǒng)：監(jiān)視系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。前者主要指用于水下無人機水下搜索和水下觀察的設(shè)備，一般包括有水下攝像機、云臺及照明、成像聲納、聲學(xué)和磁學(xué)定位系統(tǒng)等。后者主要指介入水下無人機運動控制和保障系統(tǒng)正常運行所需要的傳感設(shè)備，一般包括有深度計、高度計、方向羅盤、溫度、壓力、電壓電流等，這些可以通過傳感器采集，并通過有線或無線方式進行信息傳輸。然而目前水下通信的僅有手段是水聲和光纖。目前從國內(nèi)外的情況來看，水聲的可靠通信速率為1200波特率。通信時延取決于水聲在水中來回一次所耗費的時間，水深為6000米時，傳輸時間就是8秒。傳輸?shù)木嚯x取決于使用的載波頻率及發(fā)射的功率，對水下無人機來說，這兩者都受到了很大的限制。通信時延是一個本質(zhì)上不能克服的問題，因此如何在功率限制的情況下，提高通信的距離將是一個主要問題，目前通信距離僅十公里。隨著通信距離的增大，AUV的作業(yè)范圍也可隨之增大。利用水聲信息實現(xiàn)監(jiān)控，必須克服傳輸時延所帶來的困難。右圖為一個水聽器實例子。

水聽器系統(tǒng)水聽器系統(tǒng)是一種被動聲學(xué)系統(tǒng)，使用四個RESONTC4013模塊和一個ADI公司SHARC-21369用來確定相對方向的水下聲波發(fā)射器。它具有在20～35之間kHz范圍內(nèi)的多個水下聲波發(fā)射器鑒別能力，但只能傾聽和跟蹤一個選擇的頻率。水聽器為計算機和海拔信息提供精確度±1的信息，這個信息在導(dǎo)航到聲波發(fā)射器的任務(wù)中用到。

光纖一般用于帶纜的水下無人機TUV、ROV，由光端機（水面）﹑水下光端機﹑光纜組成。其優(yōu)點是數(shù)據(jù)率高（100Mbit/s），很好的抗干擾能力。缺點，限制了水下無人機的工作距離和可操縱性。

水下激光通訊使用海水介質(zhì)吸收率最小的藍綠激光，已達100米深的?？胀ㄓ嵕嚯x，但尚處于試驗階段，功耗和體積較大，效率低，實用性有待提高。

4.水下無人機的能源問題

能源問題一直是限制AUV作業(yè)范圍的主要因素，研究開發(fā)比能率高的能源是一個長期努力的方向。在可以預(yù)見的將來，然料電池是一種可供選擇的方案。未來可能用可變半衰期的核燃料的電池。在這些問題解決之前，可以利用前述回收裝置作為中繼站，進行水下充電，這樣就可以利用兩臺AUV交替充電，實現(xiàn)水下無限期的作業(yè)。當(dāng)然這樣并不能解決AUV的大范圍工作問題。以下是ROV和AUV對能源的不同要求：

1)ROV水下無人機供電電壓通常與水下無人機的功率和工作深度有關(guān)。

隨著深度的增加，高電壓的動力輸送和動力設(shè)備是必須具備的。為了減少臍帶電纜的尺寸和重量，將來ROV會采用更高的電壓等級。這些都將由水面提供交流電動力，一般中小型水下無人機采用220V，50～60Hz單相交流電供電，大型水下無人機多用3000v以上的三相交流電向水下載體供電。

2)AUV自身攜帶電池，早期多采用密封的鉛酸電池，現(xiàn)在多采用高比能的銀鋅電池等。

未來方向和問題分析

新一代水下無人機的發(fā)展日趨混合化，結(jié)合ROV和AUV的優(yōu)點，如ROV要求一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統(tǒng)多采用大容量計算機，實施處理資料和進行數(shù)字控制；三是潛水器上的機械手采用多功能，力反饋監(jiān)控系統(tǒng)：四是增加推進器的數(shù)量與功率，以提高其頂流作業(yè)的能力和操縱性能。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力，而AUV除以上共性特點還要不斷提高其自治能力和生存能力，避免丟失這一無纜深潛器所面臨的最大問題。

從關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展上我們可以分述如下：

電池技術(shù)：能源技術(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池具有水下無人機的動力裝置所需的性能，該電池的特點是能量密度大、高效產(chǎn)生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關(guān)閉。該電池技術(shù)難點是合適的安靜泵、氣體管路布置、散熱、固態(tài)電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲。

精確定位技術(shù)：目前水下無人機在水上采用GPS，水下定位采用聲學(xué)定位設(shè)備。水下GPS技術(shù)目前正在迅速地發(fā)展，自治導(dǎo)航的精度預(yù)計將在5年內(nèi)提高10倍。

零可見度導(dǎo)航技術(shù)：混水作業(yè)一直是水下無人機應(yīng)用的最大障礙，利用聲學(xué)、激光技術(shù)以及計算機圖形增強技術(shù)，將使這個難題得到解決。

材料技術(shù)：在水中每增加10m的水深，外界壓力將增加1個大氣壓(0.1MPa)。高強度、輕質(zhì)、耐腐蝕的結(jié)構(gòu)材料和浮力材料是水下無人機重點發(fā)展的技術(shù)問題。

作業(yè)技術(shù)：水下無人機的發(fā)展目標(biāo)是代替人完成各種水下作業(yè)。柔性水下機械手、專用水下作業(yè)工具以及臨場感、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，將便水下無人機在海洋開發(fā)中發(fā)揮更大的作用。

聲學(xué)技術(shù)：被稱為聲學(xué)技術(shù)革命的最新的“矢量換能技術(shù)”，可使自主水下無人機的跟蹤距離達到100km以上。低頻水聲通訊技術(shù)可使在水下的通訊距離達到1000km以上，圖像的水下傳輸距離可達20km以上。水聲技術(shù)的發(fā)展將使水下無人機真正具有“千里耳”。

智能技術(shù)：機器具有與人相同的智能或超過人的智能是科幻電影的事情，從目前機器智能的發(fā)展程度看還需有較長的路要走。由人參與或半自主的水下無人機是解決目前復(fù)雜的水下作業(yè)的現(xiàn)實辦法。

回收技術(shù)：水下無人機的吊放回收作業(yè)一般是在海面附近進行，所以常受海況條件的限制而成為影響水下無人機水下作業(yè)的主要因素。

綜上所述，21世紀是開發(fā)海洋的世紀，隨著開發(fā)海洋的需要及技術(shù)的進步，適應(yīng)各種需要的水下無人機將會得到更大的發(fā)展。

中國深海戰(zhàn)略“三步曲“

在今年的全國科技創(chuàng)新大會上，習(xí)近平總書記不僅發(fā)出“建設(shè)世界科技強國”的號召，并首次明確提出“深海進入”“深海探測”和“深海開發(fā)”的中國深海戰(zhàn)略“三步曲”，為我國探尋“藍色寶藏”制定了計劃路線圖。

今年“十三五”規(guī)劃綱要中已明確提出海洋強國戰(zhàn)略。在此期間，我國將計劃實施100個重大工程及項目，其中包括：建設(shè)深?？臻g站，發(fā)展深海探測、大洋鉆探、海底資源開發(fā)利用、海上作業(yè)保障等裝備和系統(tǒng)，推動深?？臻g站、大型浮式結(jié)構(gòu)物開發(fā)和工程化等一系列重要項目工程。

實驗室建設(shè)是國家海洋戰(zhàn)略的堅強支撐，為此，海洋國家實驗室已經(jīng)制定了深?！叭阶摺睉?zhàn)略。

第一步，在重點海區(qū)投放一批我國自主研發(fā)的深海智能浮標(biāo)，并在馬里亞納海溝等構(gòu)建實時立體多學(xué)科綜合觀測系統(tǒng)。

第二步，圍繞板塊運動動力學(xué)機理及歐亞大陸板塊“俯沖黑洞”形成機理、深部碳循環(huán)、極端環(huán)境下的生命過程等重大前沿科學(xué)問題，利用“蛟龍”號載人潛器等對西太平洋-印度洋重點海區(qū)進行全面考察，力爭在上述前沿科學(xué)問題取得原始創(chuàng)新。

第三步，在未來三到五年內(nèi)，海洋國家實驗室將推動中國大洋鉆探船立項建設(shè)，并以此為平臺實現(xiàn)深海與深地科學(xué)的協(xié)同發(fā)展，尋求地球科學(xué)的重大突破口。