探寻蓝色宝藏 我国奏响无人机深海战略“三步曲”

　　【中国智能制造网 智造快讯】在今年的全国科技创新大会上，不仅发出“建设世界科技强国”的号召，并明确提出“深海进入”“深海探测”和“深海开发”的中国深海战略“三步曲”，为我国探寻“蓝色宝藏”制定了计划路线图。　　
　　指出：“深海蕴藏地球上远未认知和开发的宝藏，要得到这些宝藏，必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术。”
　　
　　在今年举行的全国科技创新大会、中国科学院第十八次院士大会和中国工程院第十三次院士大会、中国科学技术协会第九次全国代表大会上，国家主席多次提到深海科研，在总结科技成就时指出，载人深潜、高铁、航母等工程技术成果，为中国成为有世界影响力的大国奠定了重要基础。指出：“深海蕴藏地球上远未认知和开发的宝藏，要得到这些宝藏，必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术。”
　　
　　水下无人机，作为走向深海的战略装备，目前世界各海洋强国在这一领域正展开激烈角逐。那么，在这一领域，其发展现状如何？我们正面临哪些问题和挑战？
　　
　　水下无人机关键技术新应用与进展
　　
　　水下无人机是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。
　　
　　水下无人机（UUV）可分为三大类：一类是有缆水下无人机，习惯称拖曳式水下无人机（简称TUV），一类是遥控潜器(简称ROV)；另一类是无缆水下无人机，习惯称为自治式水下潜器(简称AUV)。从代上世纪60年代的有人深潜器开始，迄今已经过了ROV（70年代）、AUV（80年代）和混合类型的第四代的演进。
　　
　　水下无人机的应用自诞生以来就主要服务于民用和军用两个方面：海洋资源的研究和开发，海洋环境监测、海洋资源勘察、海洋科学研究等属于传统民用领域，结合新移动互联网的发展，又有了很多新的形态。
　　
　　德国弗劳恩霍夫制造技术和应用材料研究院开发的带有应变仪的具有具有触觉系统的水下无人机。具有触觉感知能力的应变仪实际上是一种打印条码，仅有几十微米宽，是人体头发直径的一半，因此这种应变仪可以彼此近距离排列，水下无人机能够地感知到障碍物的状况。
　　
　　加拿大科学家开发出使用脚蹼游动水下无人机，这款机器人名为AQUA，小巧灵活，使用脚蹼而非推进器游动，设计用于从沉船地和暗礁处搜集准确数据。
　　
　　浙江大学在今年OI中国水下无人机大赛获得一等奖的“基于手机控制的水下直升机”。它利用手机应用软件和蓝牙功能操控水下无人机，实现机器人的自主垂直升降，创新性很强。
　　
　　另一方面，水下无人机军用目的研究日益增多，这也揭示了在新形势下各国对自身海洋权益的重视，零伤亡是未来战争中的选择，因而使得无人武器系统在未来战争中的地位倍受重视，其潜在的作战效能越来越明显。作为无人武器系统重要组成部分的水下无人机能够以水面舰船或潜艇为基地，在数十或数百里的水下空间完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯，将大大地扩展了水面舰船或潜艇的作战空间。尤其是自主航行的水下无人机，它们能够更安全地进入敌方控制的危险区域，能够以自主方式在战区停留较长的时间，是一种效果明显的兵力倍增器。更重要的是，在未来的战争中，“以网络为中心”的作战思想将代替“以平台为中心”的作战思想，水下无人机将成为网络中心站的重要节点，在战争中发挥越来越重要的作用。目前各国重点研究的应用包括：水雷对抗、反潜战、情报收集、监视与侦察、目标探测和环境数据收集等。也越来越提高到战略的层次，这将会带给水下无人机快速发展带来契机。
　　
　　关键问题及挑战
　　
　　正如所有的科学探索一样，有成功也有失败，其中“海神号”在2014年5月10日探索新西兰克马德克海沟时在水下9990米处失踪，根据后来海面上漂浮的潜水器的碎片分析，可能的情况是，潜水器的陶瓷层在数千米深的海中崩溃。因此，水下无人机本体所需的各种材料及技术仍需要继续提升。除上述共性问题外，还有几个特殊问题。
　　
　　1.水下无人机控制问题
　　
　　水下无人机是在水中运动的具有六个自由度的刚体，它本身就是一个强耦合的非线性系统；由于在水中运动，水动力(阻力)系数和运动速度的平方成比例；采用螺旋桨推进，推力和螺旋浆转速平方成正比。这一切使得控制问题变得很困难，特别是要求在定点进行作业时，上述原因造成在零速时的“零增益、零阻尼”现象，使得动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求。这是一个有待研究的问题。下图是两种水下无人机的控制原理。
　　
　　TUV和ROV控制系统及结构发展
　　
　　TUV和ROV水下无人机的控制技术既有相同之处，也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同，有缆水下无人机(ROV)控制系统的设备总体上可以分为三部分：
　　
　　水上控制设备：水上控制设备的功能是监视和操作水下载体，并向水下载体提供所需的动力。
　　
　　水下控制设备：水下控制设备的功能则是执行水面的命令，产生需要的运动以完成给定的作业使命。
　　
　　脐带电缆：脐带电缆用来传递信息和输送动力。
　　
　　具体来说，ROV控制系统由航行控制系统、导航定位系统、信息采集系统、观察系统、作业设备控制系统、水面支持设备控制系统、电缆等构成。目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术，更形象化地实现对ROV的控制。任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解脱这种束缚是各国水下无人机专家追求的目标，这就是自治水下无人机AUV技术得以发展的理由。
　　
　　AUV的控制问题
　　
　　AUV的控制涉及如机器视觉、环境建模、决策规划、回避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变换、动力学计算、多变量控制、导航、通讯、多传感器信息融合以及包容上述内容的计算机体系结构等多方面内容。AUV控制类型划分如下：
　　
　　预编程型：指AUV在完成使命的过程中完全执行预定的程序，在机器人下水前，操作人员根据使命需求，采用专门的语言编制使命程序，并将使命程序下装到机器人上的控制计算机中。
　　
　　智能型：通过路径规划，根据实际作业环境的反馈信息，利用神经网络、模糊控制等人工智能方法动态自主调整机器人的各种状态，做到水下无人机的自适应和自主控制。
　　
　　2.无人机回收问题
　　
　　目前，除较为平静的内河和湖泊外，深水AUV水面回收是不现实的，这是因为深海区浪涌很大。海试经验表明，在4000米水深的洋面，风平浪静时浪涌也在3米以上，这则很难保证回收时，机器人本体和回收装置在同一水平的波面上，这将带来极大的危险，因此还是一个至今还没有完全解决的问题。50～100米回收是可行的方案，从使用角度来看，这是十分重要，它的解决，将大大减少回收时人身及设备的危险。
　　
　　水下无人机的本体
　　
　　潜水器：潜水器是携带观察和作业工具设备的运动载体。在开式框架结构件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为零；在水平、侧向和垂直方向都装有推进器，从而可实现三维空间的运动。框架前部或必要的地方安置云台，在其上装有电视摄像机和照明灯。常规的传感器包括：成像声纳、罗盘、深度压力传感器、高度计等。水下电子单元包括：水下计算机、驱动器、控制模块，安装在常压的密封仓内。系统监视所需要的传感元件包括：动力、压力、温度、漏水等。