隨著世界各國對海洋權(quán)益的日益重視，海軍裝備中反潛反水雷裝備也逐步向現(xiàn)代化、低成本和低傷亡方向發(fā)展，因此，水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)成為世界各國軍事裝備研發(fā)的重點(diǎn)，并逐步向深海領(lǐng)域延伸發(fā)展。由于深海AUV水下機(jī)器人在深水中作業(yè)需要承受高水壓，且深海水下的地形、水文環(huán)境等非常復(fù)雜，許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，深海AUV水下機(jī)器人則成為該領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)。深海AUV水下機(jī)器人是深海水下無人航行器，其主要任務(wù)包括深海探測、目標(biāo)識別、深海反制等。

深海AUV水下機(jī)器人在研制和使用上與淺海AUV水下機(jī)器人有顯著不同。在結(jié)構(gòu)方面，既考慮耐壓艙承壓還要考慮艙體受壓后的形變產(chǎn)生的密封性下降而發(fā)生漏水風(fēng)險；在總體平衡方面，隨著下潛的深度加大，海水密度隨之發(fā)生很大變化影響了AUV水下機(jī)器人的浮力，使其受力不平衡，這需要在設(shè)計(jì)過程中充分考慮浮力調(diào)節(jié)的問題；在導(dǎo)航定位方面，潛入深海的AUV水下機(jī)器人無法采用傳統(tǒng)方式校準(zhǔn)慣導(dǎo)，需要采用新方式實(shí)現(xiàn)該功能。由此可見，深海AUV水下機(jī)器人與淺海AUV水下機(jī)器人相比有諸多自身的特點(diǎn)。

一、深海AUV的發(fā)展現(xiàn)狀及特點(diǎn)

1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展，深海AUV的許多關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，許多國家都在研究自己的深海AUV水下機(jī)器人用于軍事或者民用，初步估計(jì)全世界已有十幾種不同類型的深海AUV水下機(jī)器人。例如法國的ECA公司，美國的Hydroid公司，金槍魚機(jī)器人公司，挪威的HUGIN系列等，均深入研究并成功開發(fā)出深海AUV水下機(jī)器人，國內(nèi)也有許多科研院校在深入研究深海AUV水下機(jī)器人。因此，當(dāng)前包括中國在內(nèi)的各個國家對深海AUV水下機(jī)器人非常重視，深海AUV水下機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。

2國內(nèi)外深海AUV的發(fā)展?fàn)顩r

⑴ REMUS6000

REMUS6000自主無人水下航行器是Hydroid公司的系列產(chǎn)品中工作深度最大的AUV水下機(jī)器人。其外形及相關(guān)組成如下圖所示。

▲REMUS6000外形圖

由于REMUS6000自主水下無人水下航行器自主海底跟蹤航行，可攜帶有效載荷，最大6000m水深作業(yè)，以測量海水的特性，包括電導(dǎo)率、溫度、化學(xué)成分，并且通過測深、聲吶側(cè)掃、磁學(xué)、重力學(xué)以及照相術(shù)繪制成像海底。REMUS6000自主水下無人水下航行器的基本形式包括航行器、測深儀、側(cè)掃和沉積層穿透聲吶、導(dǎo)航裝置和通信裝置以及其他相關(guān)設(shè)備。

REMUS6000自主水下無人水下航行器也可根據(jù)用戶需求配置專用傳感器，以適應(yīng)特殊要求。REMUS6000的主要參數(shù)如下：航行器直徑71cm，航行器長度3.96m，航行器空氣中重量862kg，最大工作深度6000m，續(xù)航力22h（典型速度），航速最大4.5kn。

⑵ Bluefin-21

金槍魚機(jī)器人公司是美國一家知名的自主無人水下航行器的設(shè)計(jì)和制造商，該公司推出的無人水下航行器包括小型的Bluefin-9、中型的Bluefin-12、大型的Bluefin-21。Bluefin-21是一種高度模塊化的自主無人水下航行器，可以攜帶多種傳感器和有效載荷。其電源容量大，即使在最大水深也可長期工作，并可由各種應(yīng)急船舶操作使用。自由更換模塊--無人水下航行器的設(shè)計(jì)包括可在使命現(xiàn)場更換的有效載荷段和電池模塊，各種子系統(tǒng)均可接觸，以便加快周轉(zhuǎn)時間，并允許在現(xiàn)場維修，從而加速作業(yè)速度。其外形如下圖所示。

▲Bluefin-21布放入水

Bluefin-21的主要用途是近海勘測、搜索和救撈、反水雷、未爆武器處理、海洋學(xué)考察以及考古和探測。該型AUV主要技術(shù)參數(shù)有：航行器直徑533mm，長度4390mm，空氣中質(zhì)量750kg，最大工作深度4500m；續(xù)航力：標(biāo)準(zhǔn)有效載荷3kn時為25h；航速4.5kn；傳感器：側(cè)掃聲吶、淺層海底剖面儀以及多波束回聲測深儀。

⑶ HUGIN系列AUV水下機(jī)器人

挪威的HUGIN系列自主水下航行器在21世紀(jì)問世以來， 從原型AUV水下機(jī)器人， 逐步發(fā)展了HUGIN1000、3000、4500以及HUGIN?MR等型AUV。HUGIN 4500型AUV外形如下圖。

HUGIN 4500 AUV是HUGIN系列中最大的，航行器的結(jié)構(gòu)形式與該系列中的其他航行器相同，只不過體積更大、質(zhì)量更重，主要不同之處在于采用了功率更大的半燃料電池， 容量比HUGIN 3000 AUV多30％。航行器的尺寸和電池容量允許航行器攜帶工作能力更強(qiáng)的傳感器，例如高分辨率淺層海底剖面儀和側(cè)掃聲吶。目前，HUGIN 4500 AUV只作為美國C＆C技術(shù)公司的“勘測者Ⅲ” 使用， 最大工作水深4500m。HUGIN 4500 AUV主要參數(shù)有：航行器直徑1000mm；長度6400mm；空氣中重量1500kg；最大工作深度4500m；傳感器側(cè)掃聲吶，工作頻率為230kHz或410kHz，作用距離225m，分辨率7m以及工作頻率為1～6kHz的淺層海底剖面儀。航行器上還可安裝攝像機(jī)系統(tǒng)、多波束測深系統(tǒng)、CTD、深度傳感器、多普勒計(jì)程儀、超短基線水聲定位系統(tǒng)、水聲數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。

目前挪威海軍擁有2套休金4500 AUV系統(tǒng)，用于反水雷和環(huán)快速評估，配用HISAS 1030高分辨率合成孔徑聲吶，以3.5knｎ 航速在400m水深工作，每小時可探測2700km2，續(xù)航力17h，利用側(cè)掃聲吶的續(xù)航力為24h，兩次使命之間的維護(hù)保養(yǎng)時間為1h。

⑷ 探索者級AUV水下機(jī)器人

加拿大ISE公司的AUV長約4.5m， 直徑0.69m載負(fù)載的不同，其空氣中重量在580～800kg之間，其最大潛深為3000m。其巡航速度在1～5kn之間，在AUV的負(fù)載段可攜帶各種不同的負(fù)載。1.1m長的可伸縮通信天線，此天線有助于任務(wù)的再規(guī)劃并且可以增加母船和航行器之間的通信距離。殼體包括1個7075-T6的鋁質(zhì)圓柱段和2個7075-T6型的鋁質(zhì)端部封蓋，內(nèi)部可使用的直徑為61cm，長度為159.5cm。端部封蓋利用鋁質(zhì)夾緊裝置與圓柱體連接起來。自由進(jìn)水分段采用玻璃鋼制造。航行器續(xù)航力：120km＠3kn。配置的傳感器：多普勒計(jì)程儀、深度傳感器、高度計(jì)、固定在桅桿上的GPS天線和超短基線應(yīng)答器作為定位裝置、導(dǎo)航裝置、無線電通信和銥星通信系統(tǒng)。此外，應(yīng)急設(shè)備包括應(yīng)答器、定位器、閃光燈和射頻無線電信標(biāo)。

▲探索者AUV回收

⑸ CR-2型深海AUV水下機(jī)器人

該型深海AUV由沈陽自動化研究所研制，可用于深海水下資源調(diào)查，海洋環(huán)境調(diào)查等，主要參數(shù)有：最大作業(yè)深度6000m，水下最大航速2kn，續(xù)航力10h，直徑800mm，長度4.5m， 重量1500kg。根據(jù)任務(wù)要求， 潛航體搭載了水下相機(jī)，側(cè)掃聲吶，淺剖儀等探測設(shè)備。

▲CR-2型外形圖

⑹ 海神6000型深海AUV水下機(jī)器人

該型AUV應(yīng)用于深遠(yuǎn)海搜救型AUV，是我國首個用于深遠(yuǎn)海搜救的AUV水下機(jī)器人，主要參數(shù)有：最大工作深度6000m，直徑880mm，長度7.5m，最大航速5kn，最大續(xù)航力24h。根據(jù)任務(wù)需要搭載了USBL、飛機(jī)黑匣子搜索聲吶陣、深海測深側(cè)掃聲吶、水下相機(jī)、CTD、深海聲通機(jī)、前視聲吶等多個探測設(shè)備。

▲海神6000回收

二、深海AUV關(guān)鍵技術(shù)

深海AUV的研制需要突破許多技術(shù)，而其最關(guān)鍵的技術(shù)主要有動力能源技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)、水下通信技術(shù)、自主任務(wù)控制技術(shù)。

1動力能源技術(shù)

由于深海AUV水下機(jī)器人需要工作在深海水下的特殊環(huán)境，因此，對動力能源的要求較高，需要能源密度高、安全性好、易于維護(hù)、成本低、甚至需要電池承受深海水壓等條件，因此，通常選擇電池作為動力能源的載體。通常，在深海AUV中使用的電池主要有鉛酸電池、銀鋅電池、鋰離子電池，而目前，深海AUV中使用的鋰離子電池居多。

鋰離子電池中的二次電池的比能量和能量密度分別達(dá)到鉛酸電池和鎳鎘電池的4倍和2倍以上，壽命是銀鋅電池的130倍，已成為目前國外應(yīng)用的主流，美國的REMUS系列AUV均采用了二次鋰離子電池。

2導(dǎo)航定位技術(shù)

由于深海AUV水下機(jī)器人在水下航行過程中，普遍采用慣導(dǎo)與計(jì)程儀組合的方式進(jìn)行導(dǎo)航，而深海AUV無法實(shí)時浮出水面對慣導(dǎo)進(jìn)行校準(zhǔn)，因此，導(dǎo)航定位將是深海AUV的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國外一些研發(fā)機(jī)構(gòu)采用其他設(shè)備輔助定位的方式，例如挪威的HUGIN系列采用了慣性導(dǎo)航裝置，多普勒計(jì)程儀的組合下，利用水下超短基線定位裝置進(jìn)行輔助定位的組合導(dǎo)航，其導(dǎo)航精度令人滿意。

隨著導(dǎo)航定位技術(shù)的不斷深入研究，未來的深海AUV水下機(jī)器人慣性導(dǎo)航裝置不斷提高純慣性導(dǎo)航精度使得深海AUV的導(dǎo)航定位精度將提升一個數(shù)量級，并有望不依賴多普勒計(jì)程儀和衛(wèi)星定位裝置便可達(dá)到導(dǎo)航精度要求。

3水下通信技術(shù)

深海AUV水下機(jī)器人在水下作業(yè)過程中，唯一可以與工作母船進(jìn)行通信的方式是水聲通信的方式；而水聲通信傳輸速率低，通信可靠性受到海洋環(huán)境影響較大，信號衰減嚴(yán)重，因此，各個國家均投入大量人力物力研究該領(lǐng)域技術(shù)。目前典型的該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展方向包括水聲信道編碼技術(shù)、水聲擴(kuò)頻技術(shù)等，并逐步改善水聲通信的質(zhì)量。

此外，水下無人航行器的通信組網(wǎng)技術(shù)也是各國家研究的重點(diǎn)，但目前成功應(yīng)用于產(chǎn)品的只有少數(shù)國家。

4自主任務(wù)控制技術(shù)

自主任務(wù)控制技術(shù)既是深海AUV水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，也是深海AUV水下機(jī)器人的核心技術(shù)，該技術(shù)包括對作業(yè)任務(wù)的管理，智能規(guī)劃，自主狀態(tài)檢查和自主故障處理，自主避開障礙物以及自主航行。自主任務(wù)控制技術(shù)未來將朝著智能分析任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)自主規(guī)劃航路，根據(jù)當(dāng)前的航行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)，自主優(yōu)化作業(yè)的時間和路徑。

三、深海AUV的發(fā)展趨勢

從上述國內(nèi)外深海AUV水下機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，可以看出深海AUV水下機(jī)器人的發(fā)展正向著小型化、智能化、快速投送、快速反應(yīng)的方向發(fā)展，其發(fā)展大致分為3個階段：

第1個階段， 研制可以在深海水下航行的AUV水下機(jī)器人，解決深海水下航行所需的關(guān)鍵技術(shù)，例如大深度耐壓艙的設(shè)計(jì)加工技術(shù)，耐壓密封技術(shù)，以及水下航行控制技術(shù)。

第2個階段，在第1個階段的基礎(chǔ)上研發(fā)負(fù)載裝備技術(shù)，并對探測、目標(biāo)識別、布放和回收對接等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，并最終形成面向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用的，成熟度高的產(chǎn)品。

第3階段，優(yōu)化深海AUV水下機(jī)器人。研制小體積、小重量、使用便捷、智能化程度高、使用可靠、水下作業(yè)極對插入電解液模擬，難以達(dá)到最優(yōu)，采用多個小型電極對并聯(lián)，并利用多目標(biāo)規(guī)劃方法優(yōu)化電極和模擬裝置尺寸，可以高效模擬電極掃雷具大型多股電極－海水負(fù)載。

模擬負(fù)載在通電過程中會產(chǎn)生大量熱量，需要考慮散熱問題，受篇幅所限，文中對這一問題未進(jìn)行探討，需要后續(xù)進(jìn)一步研究。

來源：《數(shù)字海洋與水下攻防》

轉(zhuǎn)自：溪流之海洋人生