海洋作為人類的藍(lán)色國土，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，這是人類面臨的更現(xiàn)實的問題。從20 世紀(jì)后半葉起，水下機器人經(jīng)歷了從誕生、發(fā)展、到開始走向應(yīng)用的歷程。21 世紀(jì)，伴隨著人類認(rèn)識海洋、開發(fā)利用海洋資源和保護海洋的進(jìn)程，水下機器人這一高新技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展并更加完善，21 世紀(jì)將是水下機器人廣泛應(yīng)用的世紀(jì)。
1 關(guān)于海洋
在浩瀚的宇宙中，有一個蔚藍(lán)色的星球，那是人類賴以生存的地方——地球。地球的表面積為5.1 億平方公里，而海洋的面積為3.6億平方公里。地球表面積的71%被海洋所覆蓋。在煙波浩渺的海洋深處，蘊藏著什么樣的寶藏？是否存在著智慧生命？海底生物是怎樣生活的？海底的地形地貌又是什么樣的？所有這一切都使海洋充滿了神秘的色彩，也吸引了無數(shù)科學(xué)家、探險家為之探索。
從遠(yuǎn)古時代起，人們就泛舟于海上。從19 世紀(jì)起，人們開始利用各種手段對海洋進(jìn)行探察。20 世紀(jì)，水下機器人技術(shù)作為人類探索海洋的最重要的手段，受到了人們普遍的關(guān)注。進(jìn)入21 世紀(jì)，海洋作為人類尚未開發(fā)的處女地，已成為國際上戰(zhàn)略競爭的焦點，因而也成為高技術(shù)研究的重要領(lǐng)域。毫不夸張地說，本世紀(jì)是人類進(jìn)軍海洋的世紀(jì)。
人類關(guān)注海洋，是因為陸上的資源有限，海洋中卻蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源、生物資源和能源。另一個重要原因是，占地球表面積49％的海洋是國際海底區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的資源不屬于任何國家，而屬于全人類。但是如果哪一個國家有技術(shù)實力，就可以獨享這部分資源。因此爭奪國際海底資源也是一項造福子孫后代的偉大事業(yè)。水下機器人作為一種高技術(shù)手段，在海底這塊人類未來最現(xiàn)實的可發(fā)展空間中起著至關(guān)重要的作用，發(fā)展水下機器人的意義是顯而易見的。
2 水下機器人歷史回顧
水下機器人也稱作潛水器(Underwater Vehicles)，準(zhǔn)確地說，它不是人們通常想象的具有人形的機器，而是一種可以在水下代替人完成某種任務(wù)的裝置，其外形更象一艘潛艇。
水下機器人的種類很多，其中載人潛水器、有纜遙控水下機器人(ROV)、無纜水下機器人（AUV）是三類最重要的潛水器。回顧水下機器人的發(fā)展歷史，我們從中可以看到人類征服海洋的進(jìn)程。
最早出現(xiàn)的潛水器是載人潛器，這是人們在設(shè)計潛水球和潛艇微型化的基礎(chǔ)上研制出來的，主要是替代潛水員在深海中進(jìn)行潛水作業(yè)，可進(jìn)行海洋考察、打撈、水下作業(yè)和救生。其排水量從幾噸到幾十噸，航速為1～2.5 米/秒，下潛深度為幾百米到一萬米。在載人潛器上有密封的載人艙室及生命保障系統(tǒng)，可乘坐2～3 人，還有供觀察用的窺視窗，潛水人員坐在耐壓艙內(nèi)通過視窗對海底世界進(jìn)行觀察，同時潛水器內(nèi)還帶有各種測量儀器、通訊設(shè)備，并可以攜帶1 或2個機械手。圖1 為早期的載人潛器示意圖。圖2 為法國的Nautile 載人潛器。
世界上第一臺載人潛器叫Argonaut the First，是由西蒙·萊克于1890 年制造的。從20 世紀(jì)60 年代中期到70 年代中期是載人潛器發(fā)展的鼎盛時期，其技術(shù)發(fā)展得較為成熟，此后逐漸進(jìn)入低谷。
例如影片《泰坦尼克號》中的許多珍貴鏡頭，就是由俄羅斯科學(xué)家利用載人潛器“和平1 號”、“和平2 號”在水下拍攝的。
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，美國、俄羅斯、日本等國先后研制出無人潛器，即水下機器人，它比載人潛器要小，也更靈活。按照水下機器人與母船間有無電纜連接將其分為有纜遙控水下機器人(Remotely Operated Vehicles ， ROV) 和自治水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)。ROV通過電纜由母船向其提供動力，人在母船上通過電纜對ROV進(jìn)行遙控。而AUV 自帶能源，依靠自身的自治能力來管理和控制自己以完成人賦予的使命。
早在20 世紀(jì)50 年代，有幾個美國人想把人的視覺延伸到神秘的海底世界，他們把攝像機密封起來送到了海底，這就是ROV 的雛形。1960 年美國研制成功了世界上第一臺ROV─“CURV1”，如圖3所示，它與載人潛器配合，在西班牙外海找到了一顆失落在海底的氫彈，由此引起了極大的轟動，ROV 技術(shù)開始引起人們的重視。另外，當(dāng)時發(fā)生的石油短缺使得油價提高，刺激著近海石油開發(fā)業(yè)的發(fā)展，同時也促進(jìn)了ROV的迅猛發(fā)展。到了70 年代，ROV產(chǎn)業(yè)已開始形成，ROV在海洋研究、近海油氣開發(fā)、礦物資源調(diào)查取樣、打撈和軍事等方面都獲得廣泛的應(yīng)用，是目前使用最廣泛、最經(jīng)濟實用的一類潛水器。ROV 的最大下潛深度可達(dá)一萬米。圖4 和圖5 為美國CURV2和CURV3 型ROV，這是在CURV1 的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)而產(chǎn)生的功能更完善的ROV。
20 世紀(jì)50 年代末期，美國華盛頓大學(xué)開始建造第一艘無纜水下機器人——“SPURV”，這艘AUV 主要用于水文調(diào)查。從60年代中期起，人們開始對無纜水下機器人產(chǎn)生興趣。但是，由于技術(shù)上的原因，致使AUV 的發(fā)展徘徊多年。隨著電子、計算機等新技術(shù)的飛速發(fā)展及海洋工程和軍事方面的需要，AUV再次引起國外產(chǎn)業(yè)界和軍方的關(guān)注。進(jìn)入90 年代，AUV 技術(shù)開始逐步走向成熟。為美國海軍研制的AUV－AUSS。
3 水下機器人的發(fā)展趨勢
縱觀水下機器人的發(fā)展歷史，無論是載人潛器還是ROV或AUV，都代表了一定歷史時期潛水器技術(shù)發(fā)展的狀況及市場的需求。現(xiàn)階段水下機器人的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1) AUV 代表了未來水下機器人研究的方向當(dāng)前在各類水下機器人研究中，AUV 是一個熱點，我們可以通過大量的國際會議了解到當(dāng)前國際上水下機器人研究發(fā)展的這種趨勢。另外，各國對AUV研究的投資也比其它類型機器人的投資要多得多。對AUV 的研究范圍比較廣泛，既包括當(dāng)前的應(yīng)用研究也著眼于未來進(jìn)行基礎(chǔ)研究，從經(jīng)濟型到復(fù)雜型，有軍用的也有民用的，幾乎覆蓋了AUV 的各種類型。
事實上，AUV是一種非常適合于海底搜索、調(diào)查、識別和打撈作業(yè)的既經(jīng)濟又安全的工具。在軍事上，AUV 亦是一種有效的水中兵器。與載人潛水器相比較，它具有安全（無人）、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、尺寸小、造價低等優(yōu)點。而與ROV 相比，它具有活動范圍大、潛水深度深、不怕電纜纏繞、可進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中、不需要龐大水面支持、占用甲板面積小和成本低等優(yōu)點。AUV 代表了未來水下機器人技術(shù)的發(fā)展方向，是當(dāng)前世界各國研究工作的熱點。當(dāng)前AUV的發(fā)展趨勢為更深、更遠(yuǎn)、功能更強大，特別是未來海上作戰(zhàn)等軍事需求的增加，給AUV 的發(fā)展帶來了無限生機，也預(yù)示著AUV 開始走向應(yīng)用階段。
??● 更深——向深海發(fā)展
地球上97%的海洋深度在6000 米以上，稱之為深海。研制6000 米的潛水器是許多國家的目標(biāo)。美國、俄羅斯、法國、中國等都擁有自己的6000 米級的AUV。盡管ROV和載人潛器也能達(dá)到這個深度，但發(fā)展AUV 比其它潛器的造價要低得多，更經(jīng)濟。圖7為我國第一臺6000 米自治水下機器人“CR-01”，它主要用于太平洋洋底多金屬結(jié)核的調(diào)查。
● 更遠(yuǎn)——向遠(yuǎn)程發(fā)展
AUV 的分類方法有幾種，其中一種是按照航程的遠(yuǎn)近分為遠(yuǎn)程和近程兩類。所謂遠(yuǎn)程是指AUV 一次補充能源連續(xù)航行超過100 海里以上，而小于100海里稱為近程。
遠(yuǎn)程AUV 涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括能源技術(shù)、遠(yuǎn)程導(dǎo)航技術(shù)和實時通信技術(shù)。因此，許多研究機構(gòu)都在開展上述關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，以期獲得突破性的進(jìn)展。也只有在上述關(guān)鍵技術(shù)解決后，才能保證遠(yuǎn)程AUV 計劃的實施。
● 功能更強大——向作業(yè)型及智能化方向發(fā)展
現(xiàn)階段的AUV只能用于觀察和測量，沒有作業(yè)能力，而且智能水平也不高。將來的AUV 將引入人的智能，更多地依賴傳感器和人的智能。還要在AUV上安裝水下機械手，使AUV 具有作業(yè)能力，這是一個長遠(yuǎn)的目標(biāo)。
(2) ROV 廣泛應(yīng)用于水下作業(yè)中
從1953 年世界上出現(xiàn)第一艘遙控潛水器，在近五十年的時間里，ROV 從誕生到走向?qū)嵱没Ｄ壳叭澜鏡OV的數(shù)量超過1000 臺，是其他各類潛水器總和的數(shù)十倍，這主要是由于ROV 具有以下特點：
● 通過與水面相聯(lián)的電纜向無人遙控潛器提供能源，作業(yè)時間不受能源的限制；
● 操作者直接在水面控制和操作ROV，人的介入使得許多復(fù)雜的控制問題變得簡單；
● 可以用于水下作業(yè)，這一點是現(xiàn)階段AUV無法達(dá)到的。例如ROV 與載人潛器可以協(xié)同作業(yè)，完成對各種失事飛機、潛艇等的打撈任務(wù)。
聯(lián)合國發(fā)表的《21 世紀(jì)議程》中指出：“海洋是全球生命支持系統(tǒng)的一個基本組成部分，也是一種有助于實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的寶貴財富。”海洋作為人類的藍(lán)色國土，關(guān)系到人類的生存和發(fā)展，這是人類面臨的更現(xiàn)實的問題。從20 世紀(jì)后半葉起，水下機器人經(jīng)歷了從誕生、發(fā)展、到開始走向應(yīng)用的歷程。21 世紀(jì)，伴隨著人類認(rèn)識海洋、開發(fā)利用海洋資源和保護海洋的進(jìn)程，水下機器人這一高新技術(shù)將進(jìn)一步發(fā)展并更加完善，21 世紀(jì)將是水下機器人廣泛應(yīng)用的世紀(jì)。