在今年舉行的全國科技創新大會、中國科學院第十八次院士大會和中國工程院第十三次院士大會、中國科學技術協會第九次全國代表大會上，國家主席習近平多次提到深海科研，在總結科技成就時指出，載人深潛、高鐵、航母等工程技術成果，為中國成為有世界影響力的大國奠定了重要基礎。習近平指出：“深海蘊藏地球上遠未認知和開發的寶藏，要得到這些寶藏，必須在深海進入、深海探測、深海開發等方面掌握關鍵技術。”

水下無人機，作為走向深海的戰略裝備，目前世界各海洋強國在這一領域正展開激烈角逐。那么，在這一領域，其發展現狀如何？我們正面臨哪些問題和挑戰？

水下無人機關鍵技術最新應用與進展

水下無人機是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業任務的裝置。

水下無人機（UUV）可分為三大類：一類是有纜水下無人機，習慣稱拖曳式水下無人機（簡稱TUV），一類是遙控潛器(簡稱ROV)；另一類是無纜水下無人機，習慣稱為自治式水下潛器(簡稱AUV)。從第一代上世紀60年代的有人深潛器開始，迄今已經過了ROV（70年代）、AUV（80年代）和混合類型的第四代的演進。

水下無人機的應用自誕生以來就主要服務于民用和軍用兩個方面：海洋資源的研究和開發，海洋環境監測、海洋資源勘察、海洋科學研究等屬于傳統民用領域，結合最新移動互聯網的發展，又有了很多新的形態。

德國弗勞恩霍夫制造技術和應用材料研究院開發的帶有應變儀的具有具有觸覺系統的水下無人機。具有觸覺感知能力的應變儀實際上是一種打印條碼，僅有幾十微米寬，是人體頭發直徑的一半，因此這種應變儀可以彼此近距離排列，水下無人機能夠精確地感知到障礙物的狀況。

加拿大科學家開發出使用腳蹼游動水下無人機，這款機器人名為AQUA，小巧靈活，使用腳蹼而非推進器游動，設計用于從沉船地和暗礁處搜集準確數據。

浙江大學在今年OI中國水下無人機大賽獲得一等獎的“基于手機控制的水下直升機”。它利用手機應用軟件和藍牙功能操控水下無人機，實現機器人的自主垂直升降，創新性很強。

另一方面，水下無人機軍用目的研究日益增多，這也揭示了在新形勢下各國對自身海洋權益的重視，零傷亡是未來戰爭中的選擇，因而使得無人武器系統在未來戰爭中的地位倍受重視，其潛在的作戰效能越來越明顯。作為無人武器系統重要組成部分的水下無人機能夠以水面艦船或潛艇為基地，在數十或數百里的水下空間完成環境探測、目標識別、情報收集和數據通訊，將大大地擴展了水面艦船或潛艇的作戰空間。尤其是自主航行的水下無人機，它們能夠更安全地進入敵方控制的危險區域，能夠以自主方式在戰區停留較長的時間，是一種效果明顯的兵力倍增器。更重要的是，在未來的戰爭中，“以網絡為中心”的作戰思想將代替“以平臺為中心”的作戰思想，水下無人機將成為網絡中心站的重要節點，在戰爭中發揮越來越重要的作用。目前各國重點研究的應用包括：水雷對抗、反潛戰、情報收集、監視與偵察、目標探測和環境數據收集等。也越來越提高到戰略的層次，這將會帶給水下無人機快速發展帶來契機。

關鍵問題及挑戰

正如所有的科學探索一樣，有成功也有失敗，其中“海神號”在2014年5月10日探索新西蘭克馬德克海溝時在水下9990米處失蹤，根據后來海面上漂浮的潛水器的碎片分析，可能的情況是，潛水器的陶瓷層在數千米深的海中崩潰。因此，水下無人機本體所需的各種材料及技術仍需要繼續提升。除上述共性問題外，還有幾個特殊問題。

1.水下無人機控制問題

水下無人機是在水中運動的具有六個自由度的剛體，它本身就是一個強耦合的非線性系統；由于在水中運動，水動力(阻力)系數和運動速度的平方成比例；采用螺旋槳推進，推力和螺旋漿轉速平方成正比。這一切使得控制問題變得很困難，特別是要求在定點進行作業時，上述原因造成在零速時的“零增益、零阻尼”現象，使得動力定位控制系統的剛度很難滿足定點作業的要求。這是一個有待研究的問題。下圖是兩種水下無人機的控制原理。

TUV和ROV控制系統及結構發展

TUV和ROV水下無人機的控制技術既有相同之處，也有不同之處，但兩者的控制機理是相同的。從控制系統結構的角度來看，它們的底層控制相同，只是高層控制有所不同，有纜水下無人機(ROV)控制系統的設備總體上可以分為三部分：

水上控制設備：水上控制設備的功能是監視和操作水下載體，并向水下載體提供所需的動力。

水下控制設備：水下控制設備的功能則是執行水面的命令，產生需要的運動以完成給定的作業使命。

臍帶電纜：臍帶電纜用來傳遞信息和輸送動力。

具體來說，ROV控制系統由航行控制系統、導航定位系統、信息采集系統、觀察系統、作業設備控制系統、水面支持設備控制系統、電纜等構成。目前，隨著計算機技術在ROV中的廣泛應用，人們將采用更新型技術，如多媒體技術、臨場感技術以及虛擬現實技術，更形象化地實現對ROV的控制。任何事物總是一分為二的，ROV的臍帶電纜是一個不利因素，它約束了ROV的活動范圍，增加了水面設備的成本，在復雜環境中尤其迸入復雜結構內部將危害著ROV的安全，因而解脫這種束縛是各國水下無人機專家追求的目標，這就是自治水下無人機AUV技術得以發展的理由。

AUV的控制問題

AUV的控制涉及如機器視覺、環境建模、決策規劃、回避障礙、路徑規劃、故障診斷、坐標變換、動力學計算、多變量控制、導航、通訊、多傳感器信息融合以及包容上述內容的計算機體系結構等多方面內容。AUV控制類型劃分如下：

預編程型：指AUV在完成使命的過程中完全執行預定的程序，在機器人下水前，操作人員根據使命需求，采用專門的語言編制使命程序，并將使命程序下裝到機器人上的控制計算機中。

智能型：通過路徑規劃，根據實際作業環境的反饋信息，利用神經網絡、模糊控制等人工智能方法動態自主調整機器人的各種狀態，做到水下無人機的自適應和自主控制。

2.無人機回收問題

目前，除較為平靜的內河和湖泊外，深水AUV水面回收是不現實的，這是因為深海區浪涌很大。海試經驗表明，在4000米水深的洋面，風平浪靜時浪涌也在3米以上，這則很難保證回收時，機器人本體和回收裝置在同一水平的波面上，這將帶來極大的危險，因此還是一個至今還沒有完全解決的問題。50～100米回收是唯一可行的方案，從使用角度來看，這是十分重要，它的解決，將大大減少回收時人身及設備的危險。

水下無人機的本體

潛水器：潛水器是攜帶觀察和作業工具設備的運動載體。在開式框架結構件上方的浮力塊，保證潛水器全負荷時水中浮力基本為零；在水平、側向和垂直方向都裝有推進器，從而可實現三維空間的運動。框架前部或必要的地方安置云臺，在其上裝有電視攝像機和照明燈。常規的傳感器包括：成像聲納、羅盤、深度壓力傳感器、高度計等。水下電子單元包括：水下計算機、驅動器、控制模塊，安裝在常壓的密封倉內。系統監視所需要的傳感元件包括：動力、壓力、溫度、漏水等。

中繼器：為了能迅速、準確地將潛水器送到預定工作水深和較快地收回到水面，同時為了減弱母船搖擺及臍纜所受海流阻力給潛水器運動和作業帶來的附加阻力、干擾和影響，一般有纜遙控水下無人機配置中繼器。中繼器內儲存系纜，并裝有系纜驅動收放機構，潛水器非工作狀態時將與中繼器聯鎖在一起。

吊放系統：用以投放、回收中繼器和潛水器。吊放系統通常采用門形結構、液壓驅動，并設有消擺機構和臍帶電纜的儲存。

系纜：用于潛水器和中繼器之間機械軟連接及能源饋送和信息傳輸。系纜套穿浮力材料以使其在水中為零浮力，從而減小水流阻力對本體的干擾。

皚裝主纜：在吊放架與中繼器之間完成機械軟連接、能源輸送、信息傳輸的作用。它是鋼絲皚裝結構，以便同時起到吊放鋼纜的作用，

觀察作業設備：在運動載體上安裝攝像機、成像聲納，構成載體的基本系統。在需要作業時，可再加裝1～2水下機械手和多種水下作業工具。

吊放及絞車系統

吊放系統是將中繼器與水下無人機本體安全、迅速地施放和回收的必配設備，同時承受連接母船控制臺與機器人本體之間的電力控制和數據信息的傳輸。

吊放系統組成：由底架、U形門架(懸臂吊架)、滑輪、鎖栓機構、皚纜絞車、導電滑環以及液壓動力系統組成。

對吊放系統的要求：具有良好的工作可靠性；足夠的結構強度；收放時皚裝主纜鎖緊的可靠性，施放過程中的制動能力和緩沖能力。

3.水下無人機的通信問題

和通信直接相關的有兩個系統：監視系統和監控系統。前者主要指用于水下無人機水下搜索和水下觀察的設備，一般包括有水下攝像機、云臺及照明、成像聲納、聲學和磁學定位系統等。后者主要指介入水下無人機運動控制和保障系統正常運行所需要的傳感設備，一般包括有深度計、高度計、方向羅盤、溫度、壓力、電壓電流等，這些可以通過傳感器采集，并通過有線或無線方式進行信息傳輸。然而目前水下通信的僅有手段是水聲和光纖。目前從國內外的情況來看，水聲的可靠通信速率為1200波特率。通信時延取決于水聲在水中來回一次所耗費的時間，水深為6000米時，傳輸時間就是8秒。傳輸的距離取決于使用的載波頻率及發射的功率，對水下無人機來說，這兩者都受到了很大的限制。通信時延是一個本質上不能克服的問題，因此如何在功率限制的情況下，提高通信的距離將是一個主要問題，目前通信距離僅十公里。隨著通信距離的增大，AUV的作業范圍也可隨之增大。利用水聲信息實現監控，必須克服傳輸時延所帶來的困難。右圖為一個水聽器實例子。

水聽器系統水聽器系統是一種被動聲學系統，使用四個RESONTC4013模塊和一個ADI公司SHARC-21369用來確定相對方向的水下聲波發射器。它具有在20～35之間kHz范圍內的多個水下聲波發射器鑒別能力，但只能傾聽和跟蹤一個選擇的頻率。水聽器為計算機和海拔信息提供精確度±1的信息，這個信息在導航到聲波發射器的任務中用到。

光纖一般用于帶纜的水下無人機TUV、ROV，由光端機（水面）﹑水下光端機﹑光纜組成。其優點是數據率高（100Mbit/s），很好的抗干擾能力。缺點，限制了水下無人機的工作距離和可操縱性。

水下激光通訊使用海水介質吸收率最小的藍綠激光，已達100米深的海空通訊距離，但尚處于試驗階段，功耗和體積較大，效率低，實用性有待提高。

4.水下無人機的能源問題

能源問題一直是限制AUV作業范圍的主要因素，研究開發比能率高的能源是一個長期努力的方向。在可以預見的將來，然料電池是一種可供選擇的方案。未來可能用可變半衰期的核燃料的電池。在這些問題解決之前，可以利用前述回收裝置作為中繼站，進行水下充電，這樣就可以利用兩臺AUV交替充電，實現水下無限期的作業。當然這樣并不能解決AUV的大范圍工作問題。以下是ROV和AUV對能源的不同要求：

1)ROV水下無人機供電電壓通常與水下無人機的功率和工作深度有關。

隨著深度的增加，高電壓的動力輸送和動力設備是必須具備的。為了減少臍帶電纜的尺寸和重量，將來ROV會采用更高的電壓等級。這些都將由水面提供交流電動力，一般中小型水下無人機采用220V，50～60Hz單相交流電供電，大型水下無人機多用3000v以上的三相交流電向水下載體供電。

2)AUV自身攜帶電池，早期多采用密封的鉛酸電池，現在多采用高比能的銀鋅電池等。

未來方向和問題分析

新一代水下無人機的發展日趨混合化，結合ROV和AUV的優點，如ROV要求一是水深普遍在6000米；二是操縱控制系統多采用大容量計算機，實施處理資料和進行數字控制；三是潛水器上的機械手采用多功能，力反饋監控系統：四是增加推進器的數量與功率，以提高其頂流作業的能力和操縱性能。此外，還特別注意潛水器的小型化和提高其觀察能力，而AUV除以上共性特點還要不斷提高其自治能力和生存能力，避免丟失這一無纜深潛器所面臨的最大問題。

從關鍵技術的發展上我們可以分述如下：

電池技術：能源技術質子交換膜燃料電池具有水下無人機的動力裝置所需的性能，該電池的特點是能量密度大、高效產生電能，工作時熱量少，能快速啟動和關閉。該電池技術難點是合適的安靜泵、氣體管路布置、散熱、固態電解液以及燃料和氧化劑的有效存儲。

精確定位技術：目前水下無人機在水上采用GPS，水下定位采用聲學定位設備。水下GPS技術目前正在迅速地發展，自治導航的精度預計將在5年內提高10倍。

零可見度導航技術：混水作業一直是水下無人機應用的最大障礙，利用聲學、激光技術以及計算機圖形增強技術，將使這個難題得到解決。

材料技術：在水中每增加10m的水深，外界壓力將增加1個大氣壓(0.1MPa)。高強度、輕質、耐腐蝕的結構材料和浮力材料是水下無人機重點發展的技術問題。

作業技術：水下無人機的發展目標是代替人完成各種水下作業。柔性水下機械手、專用水下作業工具以及臨場感、虛擬現實技術的發展，將便水下無人機在海洋開發中發揮更大的作用。

聲學技術：被稱為聲學技術革命的最新的“矢量換能技術”，可使自主水下無人機的跟蹤距離達到100km以上。低頻水聲通訊技術可使在水下的通訊距離達到1000km以上，圖像的水下傳輸距離可達20km以上。水聲技術的發展將使水下無人機真正具有“千里耳”。

智能技術：機器具有與人相同的智能或超過人的智能是科幻電影的事情，從目前機器智能的發展程度看還需有較長的路要走。由人參與或半自主的水下無人機是解決目前復雜的水下作業的現實辦法。

回收技術：水下無人機的吊放回收作業一般是在海面附近進行，所以常受海況條件的限制而成為影響水下無人機水下作業的主要因素。

綜上所述，21世紀是開發海洋的世紀，隨著開發海洋的需要及技術的進步，適應各種需要的水下無人機將會得到更大的發展。

中國深海戰略“三步曲“

在今年的全國科技創新大會上，習近平總書記不僅發出“建設世界科技強國”的號召，并首次明確提出“深海進入”“深海探測”和“深海開發”的中國深海戰略“三步曲”，為我國探尋“藍色寶藏”制定了計劃路線圖。

今年“十三五”規劃綱要中已明確提出海洋強國戰略。在此期間，我國將計劃實施100個重大工程及項目，其中包括：建設深海空間站，發展深海探測、大洋鉆探、海底資源開發利用、海上作業保障等裝備和系統，推動深海空間站、大型浮式結構物開發和工程化等一系列重要項目工程。

實驗室建設是國家海洋戰略的堅強支撐，為此，海洋國家實驗室已經制定了深海“三步走”戰略。

第一步，在重點海區投放一批我國自主研發的深海智能浮標，并在馬里亞納海溝等構建實時立體多學科綜合觀測系統。

第二步，圍繞板塊運動動力學機理及歐亞大陸板塊“俯沖黑洞”形成機理、深部碳循環、極端環境下的生命過程等重大前沿科學問題，利用“蛟龍”號載人潛器等對西太平洋-印度洋重點海區進行全面考察，力爭在上述前沿科學問題取得原始創新。

第三步，在未來三到五年內，海洋國家實驗室將推動中國大洋鉆探船立項建設，并以此為平臺實現深海與深地科學的協同發展，尋求地球科學的重大突破口。