水下機器人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它工具，代替或輔助人去完成某些水下作業(yè)的裝置。

水下機器人為服務(wù)類機器人，具有60多年的發(fā)展歷程。水下機器人的研究方向以無人化為主，使其可在高危險、被污染以及零可見度的水域環(huán)境下工作，配備聲吶系統(tǒng)、攝像機、照明燈和機械臂等裝置，可以完成實時視頻傳輸、聲吶圖像繪制，抓起重物等各種專業(yè)操作。目前，水下機器人已經(jīng)在海洋探索、漁業(yè)養(yǎng)殖、水下檢測維修、搜救、消費娛樂、軍事、教育等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。
水下機器人起始于軍事領(lǐng)域，1953年至1974年水下機器人開始被研制和開發(fā)。美國的CURV系統(tǒng)在西班牙海成功地回收一枚氫彈，引發(fā)了世界各國的關(guān)注。伴隨著各國軍事項目的推進，自1953年第一艘無人遙控水下機器人問世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘無人遙控水下機器人。

早期的水下機器人要應(yīng)用于海洋石油開采業(yè)務(wù)，1975至1985年，由于海洋油氣業(yè)的迅速發(fā)展，水下機器人飛速發(fā)展進入一個全新的發(fā)展時期。到1981年，無人遙控水下機器人市場保有量400余艘，其中90%以上用來直接或間接為海洋石油開采業(yè)服務(wù)。海洋石油和天然氣開發(fā)的需要，推動了水下機器人理論和應(yīng)用的研究，水下機器人的數(shù)量和種類顯著增長。

按照無人潛水器與水面支持設(shè)備（母船或平臺）間聯(lián)系方式的不同，水下機器人可以分為兩大類：一類是有纜水下機器人，習(xí)慣上把它稱為水下遙控運載體（Remotely Operated Vehicle）簡稱ROV，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進行遙控；另一類是無纜水下機器人，習(xí)慣上把它稱為水下自主式無人運載體（Autonomous Underwater Vehicle）簡稱AUV，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。

ROV的分類

ROV數(shù)量眾多，設(shè)計各不相同，功能及復(fù)雜度千差萬別，這些都給ROV的準(zhǔn)確分類造成一定困難。英國Douglas Westwood根據(jù)業(yè)界實踐，將ROV分為7種類型，分別為微型ROV（Miniature ROVs, MROVs）、可視型ROV（Eyeball ROVs, EROVs）、觀察型ROV（Inspection ROVs, IROVs）、拖拽型ROV（Remotely Operated Towed Vehicles, ROTVs）、作業(yè)型ROV（Work-Class ROVs, WROVs）、履帶型ROV（Tracked ROVs, TROVs）、挖掘型ROV（Ploughs）。


⒈微型ROV（MROV）
微型ROV從銷售數(shù)量上看是ROV工業(yè)里增長最快的一個細分領(lǐng)域。它們通常是全電力的系統(tǒng)，用于開放水域或封閉水域（如液艙）的檢查和監(jiān)測等。MROV能在各種環(huán)境中使用，如清潔水、受污染水、冷水、海水等。MROV的工作水深一般小于100米，但如果搭載在其他大型潛水設(shè)備上使用，理論上可到達任何深度。部分MROV配備圖像聲吶，使其能用在能見度低的環(huán)境中。此外，MROV也可以配備其他設(shè)備如小型機械手等。


⒉可視型ROV（EROV）
可視型ROV通常是全電力的系統(tǒng)，用于執(zhí)行檢查任務(wù)，有時也用于支持潛水員的潛水活動。EROV在潛水員下潛之前先行檢查危險水域，或為其提供照明和圖像記錄。EROV因其較低的成本廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域。EROV雖然沒有作業(yè)級ROV那樣的動力和載重，但也可作為各種傳感器、工具設(shè)備、機械手等的平臺。大部分EROV工作水深在300米以內(nèi)，隨著技術(shù)的進步其工作水深及功能在不斷提高。


⒊觀察型ROV（IROV）
觀察型ROV通常用于水下結(jié)構(gòu)和硬件的檢查、測量、打撈、收集物理和圖像樣本等。IROV可以配備與WROV相似的機械手，但該機械手并非固定搭配，而是能被隨時拆除，這使得IROV擁有很大的靈活性，在執(zhí)行不同任務(wù)時選用不同的設(shè)備。早期IROV使用液壓推進方式，目前則越來越多地使用電力推進。大部分IROV的工作水深在1000米以內(nèi)。IROV因兼顧功能和成本，廣泛用于海洋可再生能源領(lǐng)域。
⒋拖拽型ROV（ROTV）
拖拽型ROV由水面船艇拖拽，是水下傳感器的平臺，通過其表面的控制單位控制ROTV的水平和垂直位置，使其能精確執(zhí)行測量等任務(wù)。ROTV擁有較大的尺寸，且通過拖纜能提供足夠的電力和數(shù)據(jù)傳輸速度，因此ROTV能比AUV等搭載更多的測量設(shè)備和傳感器。ROTV測量具有很高的穩(wěn)定性，能獲得精確的經(jīng)緯度、高度等位置信息。ROTV的直線測量方式可用于海底線纜及管道檢查，以及軍事上探測魚雷等。與WROV相比，ROTV的測量速度較快，但不能像WROV那樣執(zhí)行更深入細致的工作。使用ROTV的船艇一般也同時配備IROV，用以監(jiān)視ROTV在執(zhí)行任務(wù)時是否存在異常。


⒌作業(yè)型ROV（WROV）
作業(yè)型ROV主要用于油氣開發(fā)行業(yè)，包括鉆井支持、施工支持和檢查修理維護等細分領(lǐng)域。作業(yè)型ROV通常配備有2只機械手，可直接進行抓、推、拉等，也可以使用其他工具。作業(yè)型ROV通過電纜獲得動力和控制信息，既能進行監(jiān)測和探查，也是各種水下工具的平臺。一些制造商根據(jù)WROV執(zhí)行任務(wù)的不同將WROV分為重型和超重型，也有的制造商將WROV歸類為調(diào)查型，因為它能搭載大量傳感器并具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速度。WROV通常配置在配備ROV收放系統(tǒng)（Launch and Recovery System, LARS）的專用船舶上。WROV的工作水深在1000米以上，通常在3000～4500米之間，這也是大部分商業(yè)作業(yè)的范圍，部分WROV可根據(jù)任務(wù)的不同到達更深的水域。


⒍履帶型ROV（TROV）
履帶型ROV主要用于海底采礦及電纜/管道的安裝、埋藏等，因主要在海底作業(yè)，因此TROV采用履帶更便于活動。目前大量TROV被用于海洋可再生能源項目的線纜安裝，或者對海上風(fēng)力發(fā)電機安裝位置進行水文特征測量。部分TROV被長期置于水底進行海洋觀測。


⒎挖掘型ROV（Plough）
挖掘型ROV是尺寸最大的ROV，用于易受魚群干擾或破壞的水域的海底管線埋藏等。Plough由大型船舶驅(qū)動，帶有大量工具、設(shè)備和系統(tǒng)，造價及使用成本均十分高昂。
以上分類方法或許過于復(fù)雜，ROV還有一種較為簡單的分類方法，即只把ROV分為觀察級和作業(yè)級。觀察級ROV針對水下特定目標(biāo)進行定期觀察和檢查，如水下基礎(chǔ)設(shè)施、漁業(yè)、船體、以及科學(xué)研究項目等。其核心部件是水下推進器和水下攝像系統(tǒng)，有時輔以導(dǎo)航、深度傳感器等常規(guī)傳感器，本體尺寸和重量較小（通常小于15kg），負荷較低，成本較低，工作水深一般在1500米之內(nèi)。

作業(yè)級ROV用于水下打撈、水下施工等應(yīng)用，帶有水下機械手、液壓切割器等作業(yè)工具，還配備前視聲納、側(cè)掃聲納、海底繪圖、海底剖面等設(shè)備，尺寸和重量較大，造價高，工作水深可達6000米。

ROV的應(yīng)用

ROV廣泛應(yīng)用于軍隊、海岸警衛(wèi)、海事、海關(guān)、核電、水電、海洋石油、漁業(yè)、海上救助、管線探測和海洋科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。世界上的海洋大國如美國、俄羅斯、日本、英國和法國等都開發(fā)了多種型號的ROV系統(tǒng)，用于不同的使命任務(wù)和不同的工作深度。

民用方面，R0V在海洋救助與打撈、海洋石油開采、水下工程施工、海洋科學(xué)研究、海底礦藏勘探、遠洋作業(yè)等方面發(fā)揮著非常重要的作用。目前世界上的ROV主要集中于石油和天然氣工業(yè)以及離岸與近岸工程中。歸納起來，ROV在民用上主要有幾個方面的應(yīng)用:

⒈
石油和天然氣
石油和天然氣的勘探開發(fā)是ROV使用最為廣泛的領(lǐng)域，包括鉆井支持、施工支持、檢查修理維護等。其中鉆井支持中包括對海床進行監(jiān)視、協(xié)助控制基盤位置、對防噴器進行監(jiān)視和清理等。施工支持包括水下處理和分離設(shè)備的安裝、水下采油井修理、管線安裝等。檢查修理維護包括對油罐內(nèi)部或封閉區(qū)域進行檢測、設(shè)備無損檢驗、更換損壞的零部件等。

2.
海洋可再生能源
ROV在海洋可再生能源領(lǐng)域的應(yīng)用主要是設(shè)備安裝和布線以及檢查修理維護。在設(shè)備安裝和布線方面，ROV可以協(xié)助進行電纜安裝和埋藏，以及安裝波浪和潮汐發(fā)電設(shè)備等。在檢查修理維護方面，ROV可以對海上風(fēng)力發(fā)電機可能安裝的位置進行水文特征測量等。

⒊
海洋測量
水下測量包括地形測量、線路測量（管道和線纜）、水文測量等。地形測量主要對海床的深度、地形、結(jié)構(gòu)和水下障礙物等進行測量。線路測量主要是為確保安裝管道的安全性和降低安裝成本，使管道避開障礙區(qū)、深海潮汐區(qū)、軍事應(yīng)用區(qū)等水域。水文測量并非用于安裝或施工，而是了解海洋水動力情況，為使海洋航行更加安全。
⒋
電力/通信
ROV在電力/通信領(lǐng)域的應(yīng)用主要是對通信纜/電纜進行安裝和埋藏，以及定期或不定期對電纜進行檢查、修理、維護等。在通信纜/電纜安裝和埋藏過程中，ROV系統(tǒng)和埋纜系統(tǒng)被放置在鋪纜船上，可隨時進行作業(yè)以縮短項目時間。在檢查修理維護中，由于通信纜/電纜容易損壞，而損壞時需要將其從海底撈出，因此使用ROV進行線纜的探測和打撈。

⒌
核設(shè)施
ROV可以用于核設(shè)施的檢查、修理、維護，并在核設(shè)施報廢時執(zhí)行拆除工作。在放射性較高的區(qū)域，ROV的電子設(shè)備需要采取保護措施。通常使用能在地面或墻壁爬行的ROV來對核設(shè)施進行檢查和拆除，而泄露到海中的放射性物質(zhì)也需要使用ROV來確認并移除。
⒍
海底資源
海洋某些區(qū)域蘊藏著豐富的能源、金屬、礦產(chǎn)等資源，如太平洋西部和印度洋沿岸國家就擁有豐富的海底資源，因此海底資源的勘探開發(fā)也成為ROV應(yīng)用的主要領(lǐng)域之一。通常觀察級ROV可用于海底資源探測，而作業(yè)級ROV可用于海底資源開發(fā)。

⒎
科學(xué)研究
ROV在研究方面的應(yīng)用可分為與科學(xué)相關(guān)的應(yīng)用和與技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用。科學(xué)相關(guān)方面的應(yīng)用包括考古、水產(chǎn)/漁業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、收集海洋樣本、深海熱液調(diào)查、湍流研究等。技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用包括ROV智能系統(tǒng)、任務(wù)優(yōu)化、避碰規(guī)則應(yīng)用，以及自動進行機械手作業(yè)、數(shù)據(jù)處理和樣本采集等。

⒏
安全檢測
在安全領(lǐng)域，ROV可用于在港口開展船體檢測、內(nèi)河和海岸巡邏、搜救等。船體檢測是海洋安全檢測的重要組成部分，主要是通過公開或隱蔽的方式檢查船舶是否攜帶毒品、走私品、爆炸品等非法物品。內(nèi)河和海岸巡邏是為發(fā)現(xiàn)或阻止恐怖分子、海盜等襲擊海上重要目標(biāo)。搜救主要應(yīng)用在發(fā)生海上事故的時候。

主要國家或地區(qū)ROV發(fā)展情況

分國家來看，日本、歐洲、美國、中國等國家在發(fā)展ROV上各有特色，主要國家發(fā)展情況如下：


⒈日本
1987年，日本海洋科技中心研究成功深海無人遙控潛水器“海豚3K”號，可下潛3300米。研制“海豚3K”號的目的，是為了進行在載人潛水之前對預(yù)定潛水點進行調(diào)查等深海研究，同時，也可利用“海豚3K”號進行海底救護。“海豚3K”號在前后、上下、左右三個方向各配置兩套動力裝置，基本能滿足深海采集樣品的需要。1988年，該技術(shù)中心配合“深海6500”號載人潛水器進行深海調(diào)查作業(yè)的需要，建造了萬米級無人遙控潛水器“海溝號”。“海溝號”潛水器由工作母船進行控制操作，可以較長時間進行深海調(diào)查。日本對于無人有纜潛水器的研制比較重視，不僅有近期的研究項目，而且還有較大型的長遠計劃。目前，日本正在實施一項包括開發(fā)先進無人遙控潛水器的大型規(guī)劃。這種無人有纜潛水器系統(tǒng)在遙控作業(yè)、聲學(xué)影像、水下遙測全向推力器、海水傳動系統(tǒng)、陶瓷應(yīng)用技術(shù)、水下航行定位和控制等方面都要有新的開拓與突破。這項工作的直接目標(biāo)是有效地服務(wù)于200米以內(nèi)水深的油氣開采業(yè)，完全取代目前由潛水人員去完成的危險水下作業(yè)。


⒉歐洲
英國科學(xué)家研制的“小賈森”有纜潛水器有其獨特的技術(shù)特點，它采用計算機控制，并通過光纖溝通潛水器與母船之間的聯(lián)系。母船上裝有4臺專用計算機，分別用于處理海底照相機獲得的資料、處理監(jiān)控海洋環(huán)境變化的資料、處理海面環(huán)境變化的資料和處理由潛水器傳輸回來的其他有關(guān)技術(shù)資料等。母船將所有獲得的資料經(jīng)過整理，發(fā)送到加利福尼亞太平洋格羅夫研究所的實驗室，并貯存在資料庫里。

在無人有纜潛水技術(shù)方面，根據(jù)歐洲尤里卡計劃（EURECA），英國、意大利將聯(lián)合研制無人遙控潛水器。這種潛水器性能優(yōu)良，能在6000米水深持續(xù)工作250小時，比現(xiàn)在正在使用的只能在水下4000米深度連續(xù)工作只有l(wèi)2小時的潛水器性能優(yōu)良得多。按照尤里卡EU-191計劃，還將建造兩艘無人遙控潛水器：一艘為有纜式潛水器，主要用于水下檢查維修；另一艘為無人無纜潛水器，主要用于水下測量。這項潛水工程計劃將由英國、意大利、丹麥等國家的l7個機構(gòu)參與完成。


⒊美國
美國是世界上最早開始研究水下機器人的國家，早在五十年代就開始著手研究。雖然其擁有量相對于日本、歐洲等無絕對優(yōu)勢，但由于它在水下機器人研究方面由來已久并且一直十分重視，因此在水下機器人技術(shù)應(yīng)用和研發(fā)上一直處于世界領(lǐng)先地位。世界上第一個真正意義上的ROV——CURV就是美國研制成功的。目前，美國已經(jīng)開發(fā)了多種型號的ROV系統(tǒng)，用于不同的使命任務(wù)和不同的工作深度。例如，美國的MAX Rover是世界上最先進的全電力驅(qū)動工作級ROV，潛深達3000米。美國加州制造的Scorpic ROV安裝有水下電視、聲納、5自由度機械手、四只均衡控制的高速液壓推進器，每只提供113kg推力、配備自動導(dǎo)航和定位設(shè)備等。


⒋中國
我國對于水下機器人的研究與開發(fā)起步較晚，相比于歐美國家和日本，我國一直處于落后水平。與世界其他國家一樣，我國的水下機器人研究也是從立足軍事需求起步的，從“六五”開始對軍用水下機器人進行探索性研究，加上國內(nèi)其他科研機構(gòu)、大專院校的同期研制工作，到目前軍用水下機器人已經(jīng)服役并正在形成系列。

近年來我國的水下機器人研究飛速發(fā)展，能夠制造大中小型ROV，在ROV的研制與開發(fā)方面也基本能夠滿足國內(nèi)需求，在國際上占有一席之地。特別是6000米深水機器人的問世，表明我國在此領(lǐng)域已經(jīng)取得一定成績。但是由于在探測技術(shù)、工藝水平、綜合顯控、綜合導(dǎo)航與定位等技術(shù)上存在的差距較大，致使國產(chǎn)水下機器人的實際應(yīng)用受到限制，目前國內(nèi)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用客戶許多是購買或租借國外現(xiàn)有產(chǎn)品，不僅價格高、配套服務(wù)難，而且有些產(chǎn)品并不適合中國海區(qū)的使用特點，機動性、抗流能力及作業(yè)能力都顯不足。因此，隨著我國海洋開發(fā)事業(yè)的蓬勃發(fā)展及綜合國力的提高，面對不斷增長的市場需求，開發(fā)研制適合我國使用需求的水下機器人顯得十分必要和緊迫。

水下機器人的發(fā)展前景

水下機器人的技術(shù)相對穩(wěn)定，供應(yīng)鏈和量產(chǎn)能力是關(guān)鍵。受技術(shù)水平制約的電源系統(tǒng)、水下通信系統(tǒng)，短時間難以實現(xiàn)顛覆式創(chuàng)新和突破性進步；在設(shè)計與制造、推進與控制、導(dǎo)航與定位方面，有相對成熟的技術(shù)方案，各廠家的產(chǎn)品同質(zhì)化，成本控制和供應(yīng)鏈能力是競爭的關(guān)鍵所在；從實驗室環(huán)境到大規(guī)模量產(chǎn)是對廠商設(shè)計、制造、工藝的巨大考驗，量產(chǎn)能力是在市場立足的前提。水下機器人（特別是工業(yè)級產(chǎn)品）的差異化優(yōu)勢，在于具體應(yīng)用情景的環(huán)境感知和作業(yè)能力；水下通信技術(shù)（光通信、水聲通信）、水下導(dǎo)航定位技術(shù)（超短基線定位）、自主路徑規(guī)劃與避障是當(dāng)前技術(shù)研究的熱點方向。