我國“十四五”規(guī)劃提出，要在深地深海等前沿領(lǐng)域?qū)嵤┮慌哂星罢靶浴?zhàn)略性的國家重大科技項目。深海探測、海洋資源開發(fā)利用等已成為新興戰(zhàn)略性領(lǐng)域，關(guān)注深海、聚焦深海資源的獲取已上升為國家戰(zhàn)略。

面積約2.517億平方公里，占地球表面積49%的國際海底區(qū)域資源是全人類共同繼承的財產(chǎn)。為了開辟我國新的資源來源、維護我國開發(fā)國際海底資源的權(quán)益，1990年“中國大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)協(xié)會”成立，1991年3月5日我國被聯(lián)合國海底籌委會登記為“深海采礦先驅(qū)投資者”，此后我國在國際海底先后獲得五塊探礦區(qū)，面積約23萬平方公里。

深海海底資源開發(fā)涉及諸多領(lǐng)域，是一項龐大系統(tǒng)工程，深海礦物資源多處于3000～6000米的海底，海面和海底環(huán)境十分復雜，環(huán)境保護要求極為嚴苛，多數(shù)礦區(qū)距我國本土較遠，缺乏必要的支撐條件，資源開發(fā)難度很大，需要分期分步逐漸推進，因此調(diào)查、勘探成為開采前最重要的基礎(chǔ)性工程。

深海資源調(diào)查、勘探裝備大致可以分為兩類，第一類是通用常規(guī)調(diào)查設(shè)備，這類設(shè)備易于操作，成本相對低，在粗網(wǎng)格調(diào)查中十分有效，已成為我國科學調(diào)查船首選設(shè)備。第二類為大型復雜移動調(diào)查裝備，主要指深海（本文定義1000米以下）機器人系統(tǒng)，包括：載人潛水器（HOV）、遙控水下機器人（ROV）、自主水下機器人（AUV）、深海拖曳機器人（DTS，簡稱深拖）四大類。這些各有特色和優(yōu)勢的裝備功能互補與其它測量儀器如多波束、各種定位系統(tǒng)等組合成大洋資源高端調(diào)查與勘測系統(tǒng)。

自20世紀90年代以來，我國在國際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源調(diào)查中自主水下機器人技術(shù)得到了長足的發(fā)展，良好的操縱性，較高的與復雜海底地形適配力，大范圍的自主航行能力、不需要綁定母船，可控的高精度航跡，以及自適應(yīng)自主管控能力，使其成為多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和熱液硫化物調(diào)查的得力手段，在深海資源調(diào)查，海洋科學研究以及海洋工程等領(lǐng)域成為一類應(yīng)用廣泛的重要裝備。自主機器人技術(shù)十分復雜且具泛在性和帶動性，加速發(fā)展新一代的自主水下機器人，意義重大。

本文扼要闡述國外深海自主機器人現(xiàn)狀，重點介紹我國深海自主機器人從無到有、從淺到深、迎難而上的發(fā)展歷程，以具有代表性的“潛龍”系列自主水下機器人研發(fā)過程為例給出了面對的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及在大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查中的應(yīng)用情況和取得的部分成果，文末對未來發(fā)展前景提出若干設(shè)想和建議。

一、深海自主機器人國外研究現(xiàn)狀

自主水下機器人是當今世界各國關(guān)注的熱點，國內(nèi)有許多學者對世界自主水下機器人的發(fā)展進行了評述。本文不擬詳細敘述，僅作簡單討論。國外自主水下機器人研究已有近70年的歷史。以美國為首的西方發(fā)達國家，如英國、法國、挪威、加拿大、德國、前蘇聯(lián)等先后投入重金研發(fā)了多種型號的深海機器人，并成功用于海洋資源調(diào)查、海底地質(zhì)勘測、水下搜索等深海作業(yè)。

上個世紀50年代，美國華盛頓大學研制了世界上第一艘AUV—SPURV，1977年，法國建造了世界上第一艘潛深6000米的AUV“逆戟鯨”（Epaulard）號，“逆戟鯨”號曾在太平洋5400米深處進行多金屬結(jié)核的調(diào)查，在后來的五年中，其水下航行超過805公里，拍下了20萬張照片。1994年美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研發(fā)的ABE深海機器人，完成了其第一次科學考察，從1996年起，ABE完成了兩百多次的下潛作業(yè)，此后一直用于深海熱液考察。同一時期，英國Autosub、加拿大Theseus、俄羅斯MT-88都在深?？茖W研究、海洋資源調(diào)查中得到了應(yīng)用。近年來，隨著深海機器人技術(shù)的不斷進步，一批深海機器人相繼問世，如美國的Sentry深海機器人，英國的Autosub6000，挪威的HUGIN4500，日本的R2D4等，并出現(xiàn)了商業(yè)化的深海機器人，如金槍魚機器人公司研制的Bluefin-21、Kongsberg公司生產(chǎn)的REMUS6000等，2011年REMUS6000成功搜尋到失事客機AF447的黑匣子，2017年搜尋到重型巡洋艦UUSIndianapolis的殘骸；Bluefin-21參加了2014年馬航MH370的搜尋工作，Sentry、Autosub6000、R2D4多次在大洋熱液區(qū)、海底火山區(qū)執(zhí)行科學考察任務(wù)。

表1 國外主要深海自主水下機器人

備注：Sentry(a),REMUS 6000(b),Autosub6000(c),r2D4(d)

圖1  國外部分深海自主水下機器人

縱觀全球AUV發(fā)展的歷史，可以得出以下幾點看法：

⑴美國在AUV上投入的力量最大，其AUV發(fā)展的歷史具有代表性。

⑵AUV發(fā)展的歷史雖然較長但曲曲折折，與人工智能發(fā)展的歷史頗為相似，這是因為AUV對人工智能技術(shù)的依賴更強。當今，如火如荼的人工智能技術(shù)發(fā)展正推動AUV同步邁向新階段。顯然，智能化的新一代AUV應(yīng)是我們關(guān)注的重點。

⑶AUV走出科學家的實驗室實現(xiàn)商業(yè)化是一個漫長的過程，這反映了AUV的科學技術(shù)難度，至2015年國際上的AUV總數(shù)大約500臺左右，仍有近一半是試驗床（Test-Bed）。近些年來出現(xiàn)了一些商業(yè)化的AUV，如表1中4、5、6、7、8已在國際市場上獲得認可，AUV正在走向成熟期。相比之下我國的AUV商業(yè)市場尚未形成。

⑷“OCEAN”國際會議是觀察各類海洋機器人受關(guān)注度的窗口，“OCEAN”會議每年發(fā)表的AUV論文數(shù)量遠遠超過其他類型水下機器人。這表明AUV仍有許多前沿科技問題需要深入探討。

二、中國深海機器人發(fā)展歷程

⒈中國深海機器人發(fā)展概況

深海機器人分為有人系統(tǒng)和無人系統(tǒng)，包括五大類，如圖2所示。 

 圖2  深海機器人類別

我國的深海機器人研究始于20世紀90年代初，在30年間，我國先后成功開發(fā)了“CR-01”、“CR-02”以及“潛龍”系列自主水下機器人；“海斗”系列自主遙控水下機器人；“海龍”、“海馬”、“海星”遙控水下機器人和拖曳式水下機器人；載人潛水器“蛟龍”、“深海勇士”和“奮斗者”號，這些高新技術(shù)裝備，工作水深在4500米到11,000米之間，基本滿足了我國深?？茖W研究和資源調(diào)查的需求。與國外同類裝備相比，其技術(shù)水平大體相齊或領(lǐng)先。

我國深海機器人裝備取得的成就與國家大力支持密切相關(guān)，在國家戰(zhàn)略需求牽引下，集結(jié)了國內(nèi)的優(yōu)勢力量，匯聚了眾多國內(nèi)頂級專家和青年精英，團結(jié)協(xié)作、協(xié)同攻關(guān)，只用了不到國外一半的時間使我國深海機器人進入了國際先進水平行列。以下以深海自主機器人為例簡要介紹我國深海機器人的發(fā)展歷程。

⒉深海自主機器人發(fā)展歷程

潛深1000米以下的自主水下機器人簡稱為深海自主機器人。深海自主機器人研究是最早得到國家“863”計劃支持的重大項目，此后又得到科技部和中國大洋協(xié)會的持續(xù)支持，其發(fā)展歷程具有代表性，大體分作三個階段：

第一階段，自主探索起步

“八五”期間，在國家“863計劃”的支持下，包括中國科學院沈陽自動化研究所（SIA）、中國船舶總公司第702研究所、上海交通大學、哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所等單位組成聯(lián)合研制團隊，由八位專家組成總體組，帶領(lǐng)各自團隊展開我國第一艘潛深1000米無人無纜水下機器人“探索者”號的研制工作，從設(shè)計、制造、總裝、調(diào)試和海試全部由國內(nèi)自主完成，當時國內(nèi)還沒有相應(yīng)的配套產(chǎn)業(yè)鏈，所需眾多材料、零件部件、儀器儀表、傳感器等主要靠國內(nèi)相關(guān)單位研制，少部分部件和材料從國外引進，研制工作于1994年完成，并于同年在我國海南島進行了1000米深海試驗，試驗結(jié)果達到了預期目標，成為我國向深海機器人領(lǐng)域進軍的開端，該項目的成功填補了我國在該領(lǐng)域的一項空白，使我國在該領(lǐng)域擁有了一席之地，成為日后開展國際合作的基礎(chǔ)。

第二階段，國際合作加速成長

從1992年起，沈陽自動化研究所牽頭的聯(lián)合研究團隊與俄羅斯科學院遠東分院海洋技術(shù)問題研究所（IMTP）合作，開始研制潛深6000米自主水下機器人，該項目得到國家“863”計劃重大項目和國家外專局支持。中俄雙方發(fā)揮了各自的技術(shù)優(yōu)勢，密切合作，進展順利， 1995年“CR-01”在太平洋海域完成了海試，對多金屬結(jié)核礦區(qū)進行了實際探查。1997年“CR-01”又一次參加大洋協(xié)會組織的太平洋考察，獲得了我國保留區(qū)大量的科學數(shù)據(jù)，取得了大量第一手的資料?！癈R-01”是我國第一臺6000米級深海機器人，使我國一躍成為世界上少數(shù)擁有該項技術(shù)和設(shè)備的國家之一。

“CR-01”以太平洋洋底多金屬結(jié)核豐度調(diào)查為應(yīng)用目標，其最大工作水深6000米，最大航速2節(jié)，續(xù)航力10小時，搭載有避碰聲吶，側(cè)掃聲吶，淺地層剖面儀、照相機、錄像機等傳感器設(shè)備，可進行水下攝像、照相、海底地勢及剖面測量、水文物理測量等。在國家863計劃的支持下，聯(lián)合研究團隊又開展了“CR-02”的研制及試驗工作?！癈R-02”在“CR-01”基礎(chǔ)上改進和提高了垂直面的機動性，主要適用于用于深海富鈷結(jié)殼調(diào)查和復雜地形下的海洋調(diào)查等。

 備注：(a)“Explorer”AUV，(b)“CR-01”6000m AUV，(c)“CR-02”6000m AUV

圖3  深海自主水下機器人（SIA）

第三階段，自主創(chuàng)新發(fā)展

近十年來，在國家“863”計劃、中國大洋協(xié)會和中科院戰(zhàn)略先導專項的支持下，沈陽自動化所面向大洋資源調(diào)查和海洋科學研究，先后研制了“潛龍”系列和“探索”系列自主水下機器人，用于大洋多金屬結(jié)核調(diào)查、熱液區(qū)資源勘查，冷泉區(qū)科學調(diào)查和海洋科學研究。

“潛龍”系列包括“潛龍一號”、“潛龍二號”、“潛龍三號”、“潛龍四號”，潛深4500米～6000米。“探索”系列自主水下機器人是面向海洋科學研究研制的系列自主水下機器人，潛深為100米～4500米。

表2  我國主要深海自主機器人 

“潛龍一號”是中國大洋協(xié)會“十二五”項目支持研制的，它以大洋多金屬結(jié)核資源調(diào)查為主要目標，自2013年起多次執(zhí)行太平洋多金屬結(jié)核調(diào)查任務(wù)，2016年對“潛龍一號”的導航定位、聲學探測、光學探測以及操作使用等方面進行了升級，現(xiàn)已交付海洋調(diào)查船使用，為完成中國大洋協(xié)會與國際海底管理局簽訂的多金屬結(jié)核勘探合同提供裝備支撐。 

圖4“潛龍一號”和“潛龍四號”6000米自主水下機器人

“潛龍二號”是國家863計劃支持研制的，主要用于大洋多金屬硫化物調(diào)查作業(yè)，“潛龍二號”為了適應(yīng)深海熱液區(qū)復雜地形作業(yè)的需要采用了非回轉(zhuǎn)體立扁型外形，配有可旋轉(zhuǎn)推進器和可旋轉(zhuǎn)舵的推進布局，使其具有良好的垂直面機動性和航行穩(wěn)定性?！皾擙埗枴币彩俏覈着_獲得中國船級社（CCS）入級證書的水下機器人。2017年起，在國家重點研發(fā)計劃的支持下，沈陽自動化所對“潛龍二號”進行了技術(shù)升級，在續(xù)航力、超短基線定位、探測載荷搭載等方面有較大的提升，同時具備了自動采集水樣的能力。 

 圖5“潛龍二號”和“潛龍三號”4500米自主水下機器人

“潛龍三號”是中國大洋協(xié)會支持研制的，以完成大洋多金屬硫化物礦區(qū)的資源調(diào)查為主要目標，“潛龍三號”是在“潛龍二號”基礎(chǔ)上的改進型，在可靠性、穩(wěn)定性和探測效率方面都有較大的提升，適用于深海熱液區(qū)復雜地形作業(yè)。2018年5月完成海試及試驗性應(yīng)用。2019年起“潛龍三號”在南大西洋、西南印度洋開展科考應(yīng)用，為該區(qū)域的海底熱液活動及生態(tài)環(huán)境綜合調(diào)查提供了依據(jù)。

“潛龍四號”是中國大洋協(xié)會采購的產(chǎn)品化6000米深海自主水下機器人，其主要技術(shù)指標同“潛龍一號”。2020年“潛龍四號”首次執(zhí)行大洋調(diào)查任務(wù)，并順利交付用戶。自2013年起，“潛龍”系列深海自主水下機器人開展了十余次大洋科考，足跡遍及太平洋、印度洋和大西洋，其在大洋多金屬結(jié)核區(qū)和多金屬硫化物區(qū)的成功應(yīng)用，支撐中國履行與聯(lián)合國國際海底管理局的深海資源勘查合同，標志著我國深海自主水下機器人步入實用化、常態(tài)化應(yīng)用階段。

 圖6  “探索4500”自主水下機器人

“探索4500”是中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）支持研制的4500米級深海自主水下機器人，它采用立扁形設(shè)計，主要用于深海熱液、冷泉區(qū)復雜環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查研究。2017年“探索4500”在南海冷泉區(qū)進行了海試與示范應(yīng)用，獲得冷泉區(qū)精細地形地貌圖，冷泉區(qū)近底影像照片和理化環(huán)境多參數(shù)探測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)AUV和ROV的跨區(qū)域同時作業(yè)。

2019年4月“探索4500”自主水下機器人與“海馬”ROV在南海北部陸坡西北海域開展聯(lián)合調(diào)查，獲得大量水體觀測數(shù)據(jù)和高清海底照片，拍攝到具有“冷泉”特征的海底生物。為發(fā)現(xiàn)新的海底大型活動性“冷泉”，查明其分布范圍、生物群落及流體活動等奠定堅實基礎(chǔ)。

小結(jié)：

⑴“潛龍”、“探索”系列自主水下機器人是完全依靠國內(nèi)力量自主完成的高端實用化科技裝備，其主要性能指標與國際同類機器人水準基本相齊。

⑵“潛龍”、“探索”系列的研制成功表明我國已經(jīng)完全掌握了深海機器人的關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)，包括總體技術(shù)，線形設(shè)計，耐壓材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計，高水壓密封技術(shù)，操縱性研究，能源動力與推進，自動駕駛與航行控制，計算機軟件與硬件，電子電器，導航、定位及通訊，故障診斷與應(yīng)急處理，傳感及探測載荷等，國內(nèi)相關(guān)配套另部件和材料供給能力日臻完善。

⑶各種支撐條件，大型和關(guān)鍵實驗室測試裝備，試驗場地、測試評價環(huán)境等基本健全。

⑷我國已經(jīng)形成了一支專業(yè)齊全、經(jīng)驗豐富、老中青結(jié)合的人才隊伍。

三、深海自主機器人在大洋礦產(chǎn)

資源調(diào)查中的應(yīng)用

國際海底蘊藏著豐富的礦物資源，20世紀50年代末開始，美、日、英、法、西德和前蘇聯(lián)等發(fā)達國家，在中、東太平洋進行了大規(guī)模的勘探活動，并陸續(xù)圈定了多金屬結(jié)核富礦區(qū)。中國大洋協(xié)會作為第五個深海采礦的先驅(qū)投資者，承擔30萬平方公里洋底的探測任務(wù)，并最終擁有對礦產(chǎn)資源最豐富的7.5萬平方公里海域的優(yōu)先開采權(quán)。

我國的深海機器人，研究始于20世紀90年代初，與中國大洋調(diào)查活動是同期進行的，深海自主機器人，最初的應(yīng)用領(lǐng)域是大洋多金屬結(jié)核調(diào)查和富鈷結(jié)殼調(diào)查，從“十二五”開始，結(jié)合國際海底資源調(diào)查的新形勢，擴展到熱液硫化物、生物資源等的調(diào)查。

深海自主機器人，用于大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查時，其搭載的探測傳感器主要有：光學傳感器、地形地貌探測傳感器、水文調(diào)查傳感器、磁探測傳感器等。光學傳感器包括水下照相機和水下攝像機，可獲得水下照片和影像。地形地貌探測傳感器包括測深側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束測深儀等，主要用于海底地形地貌測量。水文調(diào)查傳感器包括溫鹽深（CTD）、濁度計、甲烷、二氧化碳、pH、溶解氧、氧化還原電位計等，主要用于海水物理和化學參數(shù)測量。磁探測傳感器主要指磁力儀，用于探測地磁強度及磁異常。深海自主機器人，通過搭載上述傳感器可開展深海多金屬結(jié)核調(diào)查、熱液硫化物調(diào)查、冷泉調(diào)查、深海生物資源調(diào)查等。

⒈深海自主機器人在多金屬

結(jié)核調(diào)查中的應(yīng)用

多金屬結(jié)核又稱錳結(jié)核，其主要分布在太平洋水深4000至6000米的海底，埋藏或半埋藏于海底沉積物中，多金屬結(jié)核富含錳、銅、鈷、鎳等金屬，由于其總量巨大，是最具規(guī)模性商業(yè)開發(fā)價值的海底戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源。圍繞多金屬結(jié)核調(diào)查，要求機器人具備自主海底地形地貌探測、淺地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測、海底拍照/錄像、海洋環(huán)境參數(shù)測量等能力，概括之為自主聲學探測、光學探測和水文探測。

多金屬結(jié)核分布區(qū)地形地貌相對平坦，地勢起伏不大，偶有小型海底丘陵。這種地形對自主水下機器人的垂直機動能力要求不高，因此一般設(shè)計成魚雷體流線型外形?！癈R-01”、“潛龍”一號和“潛龍四號”都是按照此應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計的，“潛龍一號”是“CR-01”的改進和增強版，“潛龍四號”則屬于“商業(yè)版”。通過搭載的測深側(cè)掃聲吶和照相機等探測傳感器，獲取海底地形數(shù)據(jù)、背散射數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)等多元綜合數(shù)據(jù)，目的就是確定多金屬結(jié)合的豐度，為未來開采選址提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 圖7  “CR-01”自主水下機器人航行軌跡圖和拍攝的洋底錳結(jié)核

自主水下機器人在聲學和光學調(diào)查時通常采用梳狀搜索航線定高航行，以實現(xiàn)對海底區(qū)域全覆蓋，通過自主水下機器人沿測線航行過程中獲得的圖像進行拼接，可以獲得該區(qū)域的完整光學和聲學圖像。圖7(a)為航行時的軌跡，圖7(b)為“CR-01”和“潛龍一號”在多金屬結(jié)核礦區(qū)拍攝的海底錳結(jié)核照片。

“CR-02”自主水下機器人是為適應(yīng)深海海底富鈷結(jié)殼調(diào)查而研制的深海機器人，鈷結(jié)殼是一種分布于海底火山坡上的礦物資源，由于深海海山坡的地形復雜，對水下機器人的操縱控制、自治功能提出了較高的要求，“CR-02”自主水下機器人安裝有8個避碰聲吶，用于自主水下機器人的避碰?！癈R-02”在特殊情況下可作為定點調(diào)查設(shè)備使用。作為定點調(diào)查設(shè)備使用時，通過長基線聲學定位系統(tǒng)實時糾正其航跡與工作狀態(tài)。圖8為2001年8月“CR-02”對湖底模擬結(jié)核開采區(qū)進行實際觀測的情況，觀測區(qū)長200米、寬100米，“CR-02”自主水下機器人對該區(qū)域模擬結(jié)核鋪撒前、后，及集礦機采集后的湖底分別進行了觀測，以便為評價采集效果提供依據(jù)。圖8(a)為“CR-02”自主水下機器人通過長基線定位系統(tǒng)獲得的實際航跡，圖8(b)為測深側(cè)掃聲吶獲得的聲圖，這是模擬結(jié)核鋪撒的分布情況及集礦機采礦時所留下的軌跡。圖8(c)為照相機拍攝的模擬結(jié)核照片。

 圖8  “CR-02”在定點調(diào)查中應(yīng)用

“潛龍一號”搭載有國產(chǎn)測深側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、高清照相機及多種水文探測傳感器，具有大范圍聲學調(diào)查和近海底光學調(diào)查兩種工作模式。圖9(a)為“潛龍一號”在大洋32航次中拍攝的海底錳結(jié)核照片，本航次中“潛龍一號”獲得光學照片11579張。圖9(b)為“潛龍一號”獲得的海底測深圖（局部）。

 圖9  “潛龍一號”拍攝的海底錳結(jié)核照片和獲得的海底測深圖

以上這些結(jié)果表明深海自主機器人與具有同樣功能的深拖和其它手段相比，航行穩(wěn)定，航跡精準，獲得的調(diào)查圖片穩(wěn)定、清晰，獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，對于確定多金屬結(jié)合的豐度和礦區(qū)的圈定發(fā)揮重要作用。

⒉深海自主機器人在熱液硫化物/

冷泉調(diào)查中的應(yīng)用

多金屬硫化物（熱液硫化物）是一種含有銅、鋅、鉛、金、銀等多種元素的重要礦產(chǎn)資源，主要出現(xiàn)在2000～3000米深的大洋中脊和斷裂活動帶上。熱液硫化物是海水侵入海底裂縫，受地殼深處熱源加熱，溶解地殼內(nèi)的多種金屬化合物，再從洋底噴出的煙霧狀的噴發(fā)物冷凝而成的，深海熱液俗稱“黑煙囪”，其附近的溫度高達400℃。熱液硫化物是繼大洋錳結(jié)核和結(jié)殼之后發(fā)現(xiàn)的又一具有巨大開發(fā)遠景的海底礦產(chǎn)資源。

海底冷泉是一種海底的極端環(huán)境，來自海底沉積界面之下的流體以噴涌或滲漏方式從海底溢出，并產(chǎn)生系列物理、化學及生物作用。冷泉是探尋天然氣水合物的重要標志之一，冷泉生態(tài)系統(tǒng)是研究地球深部生物圈的窗口。

熱液硫化物區(qū)和冷泉區(qū)地勢復雜，地勢起伏較大，調(diào)查中要求自主水下機器人抵近海底或者噴口進行探測。當自主水下機器人進行近距離拍照時，需要自主水下機器人具有良好的機動性和更強的自主避障能力，實時識別海底地形起伏和前方障礙，根據(jù)障礙物復雜度和碰撞危險度進行決策，完成避障過程。

“CR-02”、“潛龍二號”、“潛龍三號”和“探索4500”均為大洋復雜海底資源勘察而設(shè)計的自主水下機器人，上述水下機器人在深海礦產(chǎn)資源調(diào)查中表現(xiàn)出極強的環(huán)境適應(yīng)性：“CR-02”增加了垂直槽道推進器，加強了垂直面操控和機動能力；“潛龍二號”、“潛龍三號”和“探索4500”采用了立扁仿魚型流線外形，并配置了4個可旋轉(zhuǎn)推進器，結(jié)合全新的運動控制方法，使其具有良好的垂直面機動性和航行穩(wěn)定性。此外，搭載了測深側(cè)掃聲吶、磁力計、甲烷、溫鹽儀、照相機、多參數(shù)水質(zhì)儀等多種探測傳感器，具備聲學調(diào)查和近底光學調(diào)查兩種工作模式，可在熱液硫化物礦區(qū)獲得高精度地形圖、高清圖像、磁力數(shù)據(jù)和多種水體物理和化學數(shù)據(jù)。

2015年12月到2016年3月，“潛龍二號”在西南印度洋進行首次海底資源調(diào)查，在西南印度洋熱液礦區(qū)作業(yè)70余天，獲得了熱液區(qū)近海底精細三維地形地貌和磁力數(shù)據(jù)，獲得洋中脊近海底高分辨率照片，同時發(fā)現(xiàn)熱液區(qū)多處熱液異常點，“潛龍二號”連續(xù)3年執(zhí)行了我國西南印度洋多金屬硫化物礦區(qū)的航次調(diào)查任務(wù)，為該海域海底礦區(qū)資源評估和礦區(qū)區(qū)域放棄提供了多元高精度數(shù)據(jù)。圖10為“潛龍二號”獲得的熱液區(qū)海底硫化物及熱液區(qū)測深圖，圖11為“探索4500”獲得的冷泉區(qū)光學照片、海底軌跡和水體觀測數(shù)據(jù)。 

 圖10 “潛龍二號”在熱液區(qū)拍攝到的海底硫化物和熱液區(qū)測深圖

 圖11  “探索4500”在冷泉區(qū)獲得的光學照片和水體觀測數(shù)據(jù)

“十三五”期間，在國家重點研發(fā)計劃的支持下，對“潛龍二號”進行了技術(shù)升級，并開展科學應(yīng)用。通過優(yōu)化自主水下機器人性能和擴展功能，提高自主水下機器人的作業(yè)效率；設(shè)計了一套基于超短基線的組合導航算法，滿足聲學微地貌探測的拼圖要求；通過對多源同步探測數(shù)據(jù)進行實時處理、自主分析，指導自主水下機器人自主采水樣。

“潛龍”系列、“探索”系列自主水下機器人的研制及成功應(yīng)用，使我國的深海自主水下機器人裝備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，為深海資源探測和海洋科學研究提供了重要的技術(shù)手段。

四、展望與建議

在過去30年間，我國的深海資源調(diào)查裝備有了長足的進展，“大洋一號”船經(jīng)過幾次升級改造已經(jīng)成為一艘裝備完善先進的科學調(diào)查船，新的調(diào)查船正在擴充我國的遠洋調(diào)查船隊?？茖W調(diào)查船是海洋調(diào)查的海上研究基地。我國基于科學調(diào)查船的調(diào)查裝備有了很大發(fā)展，新世紀以來，我國已有以“奮斗者”為代表的三型具有國際先進水平的載人潛水器先后投入服務(wù)，遙控型和自主型的深海機器人也取得了長足的進步。

我國深海調(diào)查裝備可以分為三代，常規(guī)調(diào)查設(shè)備和深海水下機器人為第一代和第二代，深海資源調(diào)查與開發(fā)的戰(zhàn)略需求和以人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的信息電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，正在推動深海裝備邁向第三代。

展望未來，認識海洋，深入拓展海洋資源調(diào)查仍將是未來一、二十年的重點任務(wù)。調(diào)查工作全球化，面向三大洋、南北極及海斗深淵，適時向地內(nèi)、地外海洋拓展；精細化，網(wǎng)格從千公里到百公里乃至公里級；調(diào)查裝備智能化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化、立體化、規(guī)?；徽{(diào)查數(shù)據(jù)專業(yè)和商業(yè)化是未來發(fā)展的總趨勢。為此，

建議1：基于信息化、智能化、無人化建設(shè)第三代深海調(diào)查裝備體系。以自主水下機器人信息化、智能化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化為切入點，全面推動深海裝備向第三代轉(zhuǎn)型。

建議2：現(xiàn)有深海調(diào)查裝備的改進與提升。在現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上努力改進和提升8種能力，自適應(yīng)生存力、強大運載力、復雜使命執(zhí)行力、智能決策力、自主管控力、協(xié)同力、信息化能力和重大科學平臺支撐力。

建議3：在建議2的基礎(chǔ)上努力實現(xiàn)單使命向多使命；簡單任務(wù)向復雜任務(wù)；程序化向智能化；信息化向作業(yè)化；單平臺向多平臺；單一介質(zhì)向跨介質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

建議4：建設(shè)岸基指控和數(shù)據(jù)中心、無人化海洋科學調(diào)查船為海上中心，水面機器人為分中心，空中和水下機器人為基元的新型互通、互聯(lián)、互補的深海調(diào)查裝備體系。

五、結(jié)語

按照《聯(lián)合國海洋法公約》，國際海底區(qū)域及其資源是人類的共同繼承財產(chǎn)，但是沒有先進技術(shù)手段就無法獲取這部分資源，先進的技術(shù)和一流的裝備，既是我國作為大國的形象必備，也是國際海底資源獲取的先決條件，為了更多的獲取國際海底資源，大力發(fā)展深海裝備是一件功在當代利在千秋，造福子孫后代的偉大事業(yè)。

END

【作者簡介】文/封錫盛 李一平 徐會希 李智剛，分別來自中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室、中國科學院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院和遼寧省水下機器人重點實驗室。第一作者封錫盛，1941出生，出生于遼寧省海城市，1965年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，現(xiàn)任中國科學院沈陽自動化研究所研究員，1999年當選為中國工程院院士；是我國最早從事水下機器人研究的專家之一，曾經(jīng)擔任我國第一臺有纜遙控水下機器人“海人一號”電控系統(tǒng)負責人、我國第一臺無纜自治水下機器人“探索者號”的總設(shè)計師、“CR-01”6000米自治水下機器人項目副總設(shè)計師、“CR-01”自治水下機器人工程化項目的總設(shè)計師和“CR-02”6000米自治水下機器人總設(shè)計師，主要負責總體設(shè)計、自主控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等方面的工作；獲省部級科技進步獎二等獎以上獎勵10項，在國際會議上發(fā)表論文4篇，國內(nèi)學術(shù)刊物論文14篇，與他人合作編著《機器人學導論》和《水下機器人》。通訊作者李一平，中科院沈陽自動化研究所水下機器人研究中心研究員，1988年畢業(yè)于中科院沈陽自動化研究所，獲工學碩士學位，1999年被聘為碩士導師。多年來一直從事水下機器人控制系統(tǒng)的研究工作。本文為基金項目，國家重點研發(fā)計劃(2017YFC0305901)。本文來自《中國有色金屬學報》（2021年第9期），參考文獻略，用于學習與交流，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，作者介紹系本平臺加載，轉(zhuǎn)載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平編輯與整理。