秦洪德，孫延超

(哈爾濱工程大學(xué) 水下機器人技術(shù)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)。海洋面積占地球表面的71%，海洋中蘊含著極為豐富的資源，在政治、經(jīng)濟和軍事上具有重要的戰(zhàn)略意義。近些年來，圍繞海洋探索、海洋開發(fā)和海洋環(huán)境安全等問題，各國之間展開了新一輪的海洋競爭，海洋科技創(chuàng)新水平是競爭的核心。

水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）是指在無人操作的情況下，能在水下自主完成任務(wù)的潛水器，它集成了水下通信、自動控制、模式識別、人工智能等技術(shù)，是探索海洋的重要裝備，也是國家海洋科技創(chuàng)新水平的重要體現(xiàn)。自20 世紀(jì)50 年代開始，世界上已有十余個國家先后開展了對AUV 的研究。進入21 世紀(jì)，隨著人工智能技術(shù)、導(dǎo)航與控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和能源技術(shù)的發(fā)展，AUV 也實現(xiàn)了快速發(fā)展，其智能性、續(xù)航力、作業(yè)能力都得到了大幅的提升，目前已廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域。作為水下無人作戰(zhàn)體系的重要裝備，AUV 廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境探測、水下偵察與搜索、反水雷、水下通信與導(dǎo)航、反潛作戰(zhàn)等軍事任務(wù)，在現(xiàn)代海上作戰(zhàn)中具有重要的作用，已經(jīng)成為世界各國海軍關(guān)注的焦點，是未來海上作戰(zhàn)的必然趨勢。

1 國外AUV 發(fā)展現(xiàn)狀

國外對AUV 的研究工作開展得較早。1957 年，美國華盛頓大學(xué)開發(fā)了第1 臺AUV，至今已有60 余年。如今，美國、俄羅斯、英國、法國、德國、挪威、加拿大、日本等國在AUV 的研究方面處于領(lǐng)先地位。

1.1 美 國

作為最早對AUV 展開研究的國家，美國在國際處于領(lǐng)先地位，擁有多家著名的AUV 研制機構(gòu)，其中代表性的有：伍茲霍爾海洋研究院（Woods Hole Oceanographic Institute）、麻省理工學(xué)院、美國海軍研究生院（Naval Postgraduate School）以及通用動力公司、波音公司、水螅公司等，均具有很高的AUV 技術(shù)研發(fā)水平。這些研究院所與公司已經(jīng)研制出多款技術(shù)成熟的AUV，如REMUS 系列和Bluefin 系列具有多種不同型號產(chǎn)品，能夠應(yīng)對各種不同的海深和任務(wù)要求，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事和民事的各個領(lǐng)域。

1.2 俄羅斯

俄羅斯北鄰北冰洋，東鄰太平洋，擁有3. 7 萬千米的海岸線。但由于東部與美國、日本、韓國相鄰，北部北冰洋航路有限，西南港口需要經(jīng)過北歐各國海域才能進入大西洋，俄羅斯在海上的軍事地位被動。所以俄羅斯投入大量資金研發(fā)海上作戰(zhàn)裝備，研制了多款具有強大打擊能力的超大型A U V 和核動力AUV，其中具有代表性的有“替代者”超大型AUV、“波塞冬”核動力AUV 和“大鍵琴”系列大型AUV。

1.3 英 國

英國自工業(yè)革命以來，其軍事力量一直處于世界前列。針對水下作戰(zhàn)任務(wù)，英國研制了一系列具有協(xié)同作戰(zhàn)能力的AUV，如“護身符”AUV 能夠搭載“射手魚”AUV 進行協(xié)同作戰(zhàn)。此外，英國在超大型AUV 水下作戰(zhàn)方面也取得了顯著的成果，具有代表性的MASTT 超大型AUV，能夠搭載蛙人實現(xiàn)有人/無人的反潛作戰(zhàn)。

1.4 德 國

德國針對水雷搜索探測方面需求研制了多款具有較高反水雷作戰(zhàn)能力的AUV，裝配于海軍作戰(zhàn)部隊并應(yīng)用于反水雷和水下偵察等作戰(zhàn)任務(wù)，其中具有代表性的是“海獺”MKI、海獺MKII、DeepC 以及“海狼”A 型AUV。同時，在海洋石油勘探、海底地形調(diào)查等方面AUV 也有應(yīng)用。

1.5 法 國

法國在AUV 水下作業(yè)、海底油氣管路和電纜檢查等方面取得突出進展。其中ECA 公司研制的Alister 300 AUV 能夠?qū)崿F(xiàn)自主或纜控2 種作業(yè)模式，在水下管道跟蹤與檢查方面具有較高的精度。而Cybemextix 公司研制的ALIVE 作業(yè)型AUV 裝配有機械手，具有較高的水下作業(yè)能力。

1.6 挪 威

挪威最具代表性的AUV 是由挪威康斯伯格海事公司研制的H U G I N 系列A U V，該系列A U V 始于1990 年，并于1997 年投入使用。經(jīng)過30 年的發(fā)展，該系列已具有較為完善的譜系化發(fā)展結(jié)構(gòu)，其代表型主要有HUGIN 3 000，HUGIN 1 000，HUGIN 4 500 和HUGIN Superior 等不同型號，能夠滿足不同任務(wù)的要求，廣泛應(yīng)用于海洋石油氣勘探、水文研究、水下搜索、清掃水雷、海洋戰(zhàn)場快速環(huán)境評估等。

HUGIN 系列AUV 譜系化發(fā)展的一個重要特點是，該系列AUV 均建立在統(tǒng)一的技術(shù)基礎(chǔ)上，具有相同的導(dǎo)航、控制、載荷、通信、推進和應(yīng)急系統(tǒng)。而不同型號HUGIN AUV 的主要區(qū)別在于主尺度、工作水深、電池以及續(xù)航力的不同，此外尺寸越大的型號能夠安裝更多且功能更為全面的傳感器。

1.7 加拿大

加拿大地處高緯度地區(qū)，北鄰北冰洋，氣溫嚴(yán)寒，其沿海海域經(jīng)常會形成海冰現(xiàn)象。加拿大為推進對海洋的探索與開發(fā)，針對特殊的地理環(huán)境和氣候條件，研制了多款能在冰下作業(yè)的AUV，用于執(zhí)行冰下航路測量、電纜鋪設(shè)等任務(wù)。其中較為著名的是加拿大國際潛水器工程（ISE）公司研制的Explorer AUV和Theseus AUV 等。

1.8 日 本

日本作為一個海島國家，其陸地資源有限，海洋是其獲取資源的一個非常重要途徑，開展對海洋的研究對其具有極為重要的意義?；诖耍毡痉e極推進AUV 相關(guān)技術(shù)的研究，并廣泛推廣應(yīng)用于海洋科考、海底資源勘探與管路檢查等領(lǐng)域，取得了一定的成果。代表型號有日本海洋-地球科技研究所（JAMSTEC）研制的“浦島”號和東京大學(xué)研制的Tam-Egg1，r2D4 等。

2 關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)

2.1 能源技術(shù)

能源技術(shù)一直都是限制AUV 發(fā)展的技術(shù)難點之一，AUV 的水下工作時間與航行距離、航速與負(fù)載能力都受到能源技術(shù)的直接影響。目前，大多數(shù)國家的AUV 型號均使用電池組提供能量，常用的電池包括鉛酸電池、鎳鎘電池、銀鋅電池、鋰離子電池和燃料電池。其中鉛酸電池、鎳鎘電池能量密度較低，銀鋅電池壽命太短，主要在早期AUV 中使用，已逐漸被淘汰。鋰離子電池的比能量可達到鉛酸電池的4 倍、鎳鎘電池的2 倍，比能量可達210 Wh/kg，并且壽命能夠達到銀鋅電池的130 倍，不易產(chǎn)生污染，因此目前是國外AUV 中使用最廣泛的能源方式。

此外，目前可用的鋁氧燃料電池比能量可達400 Wh/kg，僅在部分國家的少量AUV 或試驗設(shè)備中使用。一些新型的燃料電池還處于研發(fā)階段，如在研的鋰-過氧化氫燃料電池比能量可達725 Wh/kg。燃料電池壽命長、電流大、比能量和效率高、無污染且儲氣瓶可以為AUV 提供浮力，是未來一段時間內(nèi)AUV的理想能源。

2.2 先進控制技術(shù)

由于各國AUV 需要在復(fù)雜的海洋環(huán)境以及大范圍空間內(nèi)活動，對AUV 的運動控制、姿態(tài)控制、控制精度以及控制的穩(wěn)定性和抗干擾能力提出了很高的要求。目前AUV 的控制問題主要有：自主控制技術(shù)，水下對接、發(fā)射與回收、編隊集群控制等。

自主控制技術(shù)要求AUV 具備適應(yīng)海洋環(huán)境并且具有自我調(diào)整的能力，同時可根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)主動識別任務(wù)目標(biāo)與障礙物，具備自主決策躲避障礙物的能力。同時，針對系統(tǒng)中的軟件故障、傳感器故障、執(zhí)行器故障和行為故障，需要研究有效的容錯控制算法，進行及時的檢測、診斷與自修復(fù)。該技術(shù)能顯著提高AUV 的水下作業(yè)能力和長時間航行作戰(zhàn)的可靠性及安全性。水下對接技術(shù)能夠幫助AUV 在水下基站完成能源補充和數(shù)據(jù)傳輸，不僅能解決當(dāng)前AUV 在水下通信困難問題，還能解決AUV 的續(xù)航問題。而水下發(fā)射與回收主要是針對潛艇搭載AUV 協(xié)同作戰(zhàn)問題，可實現(xiàn)潛艇搭載AUV 并進行水下發(fā)射作戰(zhàn)，豐富了水下作戰(zhàn)的方式。編隊集群控制幫助AUV 完成編隊任務(wù)，合理的AUV 編隊能夠更好地利用各AUV 的信息資源，保證多個AUV 合理的編隊運動和高效的協(xié)作。

2.3 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)將大大提升AUV 的作業(yè)性能，是AUV的關(guān)鍵技術(shù)。人工智能技術(shù)包括目標(biāo)識別、智能規(guī)劃與決策等方面。目標(biāo)識別是智能化的基礎(chǔ)，目標(biāo)識別采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，通過模仿人腦的工作方式建立神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，然后將圖像進行抽象化處理，再對圖像特征進行提取。目標(biāo)識別技術(shù)在某些領(lǐng)域已經(jīng)能夠超過人腦的判別能力，但由于水下光視覺的可視范圍有限，信息圖像噪點高，目前如何提高水下目標(biāo)的識別成功率是智能化的關(guān)鍵。AUV 在復(fù)雜海洋環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)時，會遇到很多不能預(yù)估的情況。智能控制與決策是通過對識別到的信息進行運算與處理，根據(jù)運算結(jié)果對AUV 做出控制指令。它需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)方法，同時加強與環(huán)境信息的交互，結(jié)合AUV 自身的任務(wù)執(zhí)行能力，研究可變自主體系結(jié)構(gòu)的建立、自主等級的提升、智能水平與自主等級的評估方法等，以提高AUV 系統(tǒng)的自主能力、對環(huán)境的適應(yīng)能力。

2.4 水下通信技術(shù)

目前水下通信技術(shù)主要包括兩方面：裝備與基站之間、裝備與裝備之間。AUV 在執(zhí)行任務(wù)過程中，需要與母船或海上平臺進行通信與數(shù)據(jù)傳輸，同時，多AUV 協(xié)同作戰(zhàn)也需要及時的信息傳輸與共享，而水下通信技術(shù)也是一直以來限制多AUV 發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前，AUV 在水下時主要采用聲學(xué)通信，在水面上時采用電磁波通信。然而，水聲通信存在傳播速率小、延遲大、帶寬小、信號衰減嚴(yán)重等問題。

針對上述問題，一方面繼續(xù)研發(fā)新型水聲通信裝備，優(yōu)化水聲通信的效率，從而提高AUV 的通信能力。目前主要的研究方向有：針對提高帶寬與速率的水聲信道編碼技術(shù)、針對提高抗干擾能力的自適應(yīng)均衡技術(shù)以及針對提高傳輸距離并降低功耗的時反通信技術(shù)。另一方面則需要采用其他辦法解決現(xiàn)有問題，如水下基站可通過對接的形式完成數(shù)據(jù)的傳輸與能量的補充。此外，由于AUV 在水下具有較好的機動性和靈活性，其在水下網(wǎng)絡(luò)中的位置不固定，傳統(tǒng)的靜態(tài)水下網(wǎng)絡(luò)不能滿足AUV 自由從信息網(wǎng)中穿梭的需求，所以未來需要開發(fā)一種可動態(tài)接入AUV 作為移動節(jié)點的動態(tài)水下信息網(wǎng)絡(luò)。該動態(tài)網(wǎng)絡(luò)以加強多AUV 信息共享為目標(biāo)，可以實現(xiàn)AUV 的自主接入，同時利用靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多AUV 間的信息共享。

2.5 新材料技術(shù)

AUV 工作環(huán)境特殊，海水的腐蝕性比較強，所以艙體材料需要較好的耐腐蝕性能。同時水下是高壓的環(huán)境，要求艙體材料具有較強的耐壓能力，而且耐壓艙的強度直接決定了AUV 能夠下潛的最大深度。目前使用的材料主要有鋁合金、鈦合金，這類合金材料具有良好的強度性能和耐腐蝕性。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了一大批高性能的新材料，如玻璃鋼、碳纖維等，這些新材料兼具強度大、耐腐蝕等特點，同時重量比較輕，如應(yīng)用于AUV，能夠有效減輕總體的重量，提高負(fù)載能力和續(xù)航力，并具有很好隱身性能。

2.6 海洋環(huán)境感知與理解技術(shù)

AUV 在未來的海上戰(zhàn)場環(huán)境下需要執(zhí)行區(qū)域防衛(wèi)、掃雷反潛、對敵偵察、精確打擊及其他特殊作戰(zhàn)任務(wù)，提升AUV 對海洋環(huán)境感知和理解十分重要。如基于傳感器技術(shù)和深度學(xué)習(xí)的方法，重點突破海洋環(huán)境下的弱目標(biāo)檢測技術(shù)、弱目標(biāo)識別技術(shù)、多目標(biāo)實時跟蹤技術(shù)以及多傳感器信息融合技術(shù)，實現(xiàn)AUV 在復(fù)雜的海洋環(huán)境下對目標(biāo)及其運動信息的準(zhǔn)確、可靠、魯棒的理解，同時利用聲學(xué)與光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵特征信息匹配，分別在大范圍大尺度和局部區(qū)域小尺度上進行海洋環(huán)境的建模，保障AUV 在復(fù)雜的海洋環(huán)境下實現(xiàn)可靠、準(zhǔn)確、魯棒的環(huán)境感知與理解，為AUV 在未來海上戰(zhàn)場上的實用化奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。

3 未來發(fā)展方向

3.1 智能化

自從第1 艘AUV 問世，提高AUV 的智能化水平就是各國科學(xué)家們一直以來奮斗的目標(biāo)。但是目前的AUV 智能化水平還比較低。近些年人工智能技術(shù)的快速發(fā)展讓人們看到發(fā)展智能化AUV 的希望。將現(xiàn)代的人工智能技術(shù)引入AUV 的研發(fā)中（如引入深度學(xué)習(xí)使AUV 具備自我學(xué)習(xí)、自我決策的能力），使其具有高度的智能化水平，能夠像人類一樣與環(huán)境進行交互，以便在復(fù)雜多變的環(huán)境中進行自我調(diào)整，僅通過導(dǎo)航和水下通信中繼就能進行多航行器協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)長時間獨立自主地執(zhí)行各種任務(wù)。智能化是各國AUV 發(fā)展的必然趨勢。

3.2 小型化

隨著計算機與儀器設(shè)備的微型化發(fā)展，小型化的AUV 已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展方向。小型化AUV 具有結(jié)構(gòu)小、機動性好、阻力小、成本低、隱身性好、攜帶和搭載方便、方便量產(chǎn)等特點，在軍事和民事領(lǐng)域都具有十分廣泛的應(yīng)用前景。同時，隨著無人水下協(xié)同作戰(zhàn)體系的提出，小型AUV 便于搭載于大型AUV 上，與大型AUV 進行協(xié)同作戰(zhàn)。由于小型AUV具有廣泛的應(yīng)用前景，目前各國研究機構(gòu)都在致力于開發(fā)新型的小型AUV。

3.3 深?；?/h3>

根據(jù)目前的數(shù)據(jù)，海洋中深度超過6 000 m 以上的區(qū)域占海洋總面積的97%，并且海洋中的資源大多存儲在深海中。因此，許多國家都積極發(fā)展深海載人/無人潛水器。相比載人潛水器，深海AUV 不需要駕駛員，因此安全性更高，成本也相對較低。此外，許多國家對深海的探測能力有限，深海型AUV 具有較好的隱蔽性，具有很好的軍事應(yīng)用價值。目前，各國正朝著全海深的方向進行發(fā)展。深海中除了豐富的資源，還有各種深海生物和其他人類未知的秘密，研究深海型AUV，對科學(xué)考察也具有重大的意義。

3.4 集群化

發(fā)展多AUV 集群作業(yè)，提高AUV 之間的通信能力和協(xié)同編隊控制水平，發(fā)揮各個類型AUV 的特點，可以有效地提高AUV 的工作效率。AUV 編隊能夠提高搜索和探測的廣度和深度，對于海洋搜索與監(jiān)測、海洋資源探索、反水雷和戰(zhàn)區(qū)海域偵察等應(yīng)用領(lǐng)域，具有極高的現(xiàn)實意義。

目前許多國家已經(jīng)開展了AUV 集群化作業(yè)的研究，重點針對多AUV 協(xié)同導(dǎo)航與控制、不同AUV 之間建立網(wǎng)絡(luò)化通信、水下協(xié)同作戰(zhàn)等。隨著人工智能技術(shù)和先進控制技術(shù)在AUV 領(lǐng)域應(yīng)用的進一步深入，開發(fā)各種實戰(zhàn)編隊AUV 是目前各國研究的重點。未來，不同類型的AUV 集群作戰(zhàn)是水下作戰(zhàn)的發(fā)展方向。

3.5 作戰(zhàn)體系化

AUV 無人作戰(zhàn)已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢，目前美國、俄羅斯、英國、德國等紛紛開展了對AUV 協(xié)同作戰(zhàn)方案的研究，主要形式有：載人潛艇搭載小型AUV 進行偵察與作戰(zhàn)、大型AUV 搭載魚雷或小型AUV 搭載魚雷頭、大型AUV 搭載蛙人作戰(zhàn)、大型AUV 代替并模仿潛艇進行偵察和干擾等任務(wù)、AUV搭載小型無人機實現(xiàn)水下潛入和水下發(fā)射。

AUV 將在現(xiàn)代海戰(zhàn)中發(fā)揮十分重要作用，研究和開發(fā)新型的AUV 作戰(zhàn)體系，對未來的海戰(zhàn)具有重要意義。同時，研究和開發(fā)具有新型作戰(zhàn)能力的AUV，是各國AUV 軍事化應(yīng)用未來重要的發(fā)展方向之一。

4 結(jié) 語

本文梳理了美國、俄羅斯、英國、德國、法國、挪威、加拿大、日本等海洋強國研制的典型AUV 裝備，美國作為目前AUV 技術(shù)水平最高的國家，在小型、中型、大型AUV 方面均取得較好的成果與應(yīng)用，未來將加快超大型AUV 的研制使其海上作戰(zhàn)能力進一步提升。俄羅斯、英國、德國也在AUV 的軍用方面取得不同的成果，其中俄羅斯的研發(fā)重點是超大型AUV 的核動力裝置，英國針對超大型AUV 和有人/無人水下作戰(zhàn)展開了一系列研究，德國則更傾向于水雷探測與偵察。其他國家則針對其特定的任務(wù)需要研制了多款性能優(yōu)良的AUV 裝備?；趪飧鲊兄频牡湫虯UV 的發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)特點，分析和歸納了當(dāng)前AUV 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)并展望了未來的發(fā)展方向。