水下机器人未来仍需解决的三个关键技术问题

　　ROV（RemoteOperated Vehicle），全称遥控水下机器人，也称为遥控式水下无人潜航器，属于水下无人潜航器（UUV）的一种，主要用于水中观察、检查和水下施工。另一类水下无人潜航器则被称为AUV，全称自主式水下机器人，也称为自主式水下无人潜航器，其特点是无需携带缆绳，行动更灵活。

ROV水下机器人设备，资料图

　　水下机器人构成及应用

　　水下机器人是高技术的集成。可以说，水下机器人开发，离不开计算机技术、声纳技术、水下微光电视、遥控技术、定位导航等技术的发展。目前，商业型或工业型的水下机器人，通常由潜水器本体、水下观察设备、检测设备、导航定位设备（如深度传感器、电子罗盘、航速仪等）、机械臂、脐带缆、控制台、下放装置等组成。

　　水下机器人可用于船舶河道海洋石油等诸多领域，例如船体检修，码头及码头桩基、桥梁、大坝水下部分检查，航道排障、港口作业，钻井平台水下结构检修、海洋石油工程开发等。其他领域的应用，还包括水环境监测、海洋考察、水下拍摄、安全搜救等领域。

　　新型AUV是未来发展趋势

　　有缆水下机器人，虽然可通过电缆实现更好的供能和遥控，但限制了水下机器人的灵活性、活动范围及作业种类。随着作业水深的增加，电缆长度及电缆阻力将增大，导致水下机器人的动力消耗增加，作业空间受到限制。

　　由于水对电磁波的干扰，长久以来，无缆遥控面临着难题，如何除去ROV携带的电缆长期困扰着科学家们。随着科技的进步特别是硬件技术和控制技术的发展，新式AUV应运而生。它实现了无缆化，自带供能模块，活动范围大大提高，且能依靠自身的自动化控制能力，来完成所赋予的工作，具有机动性好、智能化、安全性高等优点，特别是在海洋油气资源开发领域，正发挥着越来越大的作用。

AUV水下机器人设备，资料图

　　一些关键技术还需解决

　　虽然水下机器人本体的各种材料及相关技术已基本成熟，但随着水下机器人向大范围、大深度、长续航、多功能的发展，一些关键技术还需研究解决。

　　1.水下通讯问题

　　有缆水下机器人可以用电缆很好地实现信息传输，但电缆又限制了水下机器人的功能。目前，无缆水下机器人的操控信号是以水声通讯来实现的，存在传输延时现象，因声音在水中的传播速度远低于光速，从而导致难以对水下机器人实时控制。而且传输距离又受载波频率和发射功率的限制，目前通讯距离仅10千米左右。

　　另外，声通讯还易受到多径效应造成的干扰，虽然可采用窄波速，但也存在波束对准和跟踪等问题。美国利用蓝绿激光实现了空中对水下100m深处潜艇的通讯，激光通讯的研发为水中大范围通讯开辟了一条新路，但目前蓝绿激光器体积过大，效率低，能耗大，尚不能用于无缆水下机器人。

　　2.能源供应问题

　　有缆水下机器人一般不存在能源问题，但如果在深海作业，随着电缆的增长，传输损耗也会增大。虽然可提高电压和加大频率，但会产生绝缘和安全问题。而对于无缆水下机器人，自带供能模块所存储的能源量是限制其作业范围的主要因素，可以考虑燃料电池，但目前在水下机器人中尚未得到应用，需要进一步研究开发。

　　3.自动控制问题

　　有缆水下机器人的控制比较简单，可由操作人员通过操作台实现人机交互控制。但水下机器人在水中的运动有六个自由度，它本身是一个强耦合的非线性系统，加上局部水流方向、流速都是无规则变化的，动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求，这有待进一步研究。

　　无缆水下机器人由于信息传输问题而难以实现实时控制，往往要求实现自治式控制或智能控制。但由于控制对象为6自由度，交叉耦合、非线性、时变性都非常严重，因此其控制技术十分复杂，要进一步研究开发。