自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）從20世紀(jì)后半葉誕生之日起，就伴隨著人類(lèi)認(rèn)識(shí)海洋、開(kāi)發(fā)海洋和保護(hù)海洋的進(jìn)程不斷發(fā)展。近年來(lái)，作為水下的重要探測(cè)裝備，AUV形成了多種類(lèi)型、多種型號(hào)和系列化產(chǎn)品，完成了大量的海洋環(huán)境探測(cè)與數(shù)據(jù)采集，為科學(xué)考察和海洋工程提供了更加豐富的海洋數(shù)據(jù)。

10.1.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)具有代表性的AUV主要有Bluefin公司研制的Bluefin系列AUV，Hydroid公司（已被挪威Kongsberg公司收購(gòu)）研制的REMUS系列智能水下機(jī)器人AUV等。Bluefin系列包括了Bluefin-9，Bluefin-12和Bluefin-21（圖10-1），重量從50kg到750kg，潛深從200m到4500m，續(xù)航能力從12h到30h。依據(jù)搭載能力，可裝備雙頻側(cè)掃聲吶、海底淺剖聲吶、多波束測(cè)深聲吶、GPS、慣導(dǎo)單元、多普勒速度計(jì)、CTD、水下攝像機(jī)、熒光計(jì)、濁度傳感器等有效載荷模塊。Hydroid公司研制的REMUS（Remote Environmental Monitoring Units）系列AUV共有REMUS100，REMUS600，REMUS3000和REMUS6000等多個(gè)型號(hào)（圖10-2），重量從37kg到862kg，潛深從100m到6000m。依據(jù)航行速度和搭載設(shè)備的配置，其續(xù)航能力一般為22h，可裝備的探測(cè)設(shè)備種類(lèi)與Bluefin基本相同。

英國(guó)BAE系統(tǒng)公司研發(fā)的“Talisman-泰利斯曼”多用途AUV是其發(fā)展網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下“智能自主”系統(tǒng)戰(zhàn)略的一部分，可裝載海洋調(diào)查設(shè)備、獵雷聲吶和其他傳感器，續(xù)航力超過(guò)24h，航行距離約為200km。該AUV采用Wi Fi通信、視距無(wú)線通信和銥星通信，水下采用水聲通信。

法國(guó)也是AUV技術(shù)水平較高的國(guó)家之一，早期研制的Epaulard型和Nautile型AUV最大下潛深達(dá)6000m，完成過(guò)多次深海調(diào)查活動(dòng)。近年研制的Alister AUV（圖10-3），能在水下3000m自主執(zhí)行監(jiān)視和繪圖等任務(wù)，可攜帶100kg重的設(shè)備航行24h。

圖10-1 Bluefin公司各型 AUV（http：//www.bluefinrobotics. com/vehicles-batteries-and-services/）

圖10-2 REMUS各型AUV（http：//www. whoi.edu/page.do？pid=38175&tid=7842&cid=39133）

圖10-3 Alister智能水下機(jī)器人（a）及其對(duì)海底管道的跟蹤探測(cè)（b）

德國(guó)STN公司在2007年研制了Deep CAUV，重2.5噸，作業(yè)水深4000m，續(xù)航時(shí)間約50h，最大裝載能力為250kg?？蓤?zhí)行水下管線檢測(cè)、海底電纜鋪設(shè)、海床勘探和海底資源調(diào)查等任務(wù)。在Deep C的研制中使用了許多新技術(shù)，包括碳纖維增強(qiáng)塑料、縮微燃料電池、長(zhǎng)航時(shí)水下導(dǎo)航系統(tǒng)等。

加拿大近年研制了新的模塊化AUVExplorer（圖10-4），作業(yè)深度為300～5000m，重量700～1250kg，攜帶有24k Wh的鋰離子電池，最大航速為5節(jié)。在3kn航速下，并攜帶75W載荷的情況下能連續(xù)航行120km，增加一個(gè)電源艙模塊后航行距離可加倍。

圖10-4 模塊化AUV Explorer

俄羅斯早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始研制AUV，其研制的典型平臺(tái)是MT88，主要用于海底目標(biāo)探測(cè)、區(qū)域搜索和探測(cè)失事艦船等目的。MT88型AUV的潛航深度為6000m，續(xù)航力為6h，巡航速度最大為2kn，曾被用來(lái)成功地探測(cè)到失事的核潛艇。

國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代初開(kāi)始了AUV技術(shù)的研究，但由于受到當(dāng)時(shí)關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)水平的限制，任務(wù)側(cè)重在300m以淺的海域。從1992年6月起，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所聯(lián)合國(guó)內(nèi)若干單位，通過(guò)引進(jìn)俄羅斯技術(shù)，在俄羅斯MT88AUV的基礎(chǔ)上，針對(duì)我國(guó)對(duì)國(guó)際海底資源調(diào)查的需要，研制了“CR01”型潛深6000m、續(xù)航力約10h的AUV，并于1997年6月，成功地完成了太平洋某區(qū)域的深?？疾?。“CR01”6000m AUV的研制成功，使我國(guó)機(jī)器人的總體技術(shù)水平躋身于世界先進(jìn)行列，成為世界上擁有潛深6000m AUV的少數(shù)國(guó)家之一。在此基礎(chǔ)上，于90年代后期又研制了“CR02”型AUV。哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合華中科技大學(xué)、中船重工第702所和709所三家單位，共同開(kāi)展了AUV技術(shù)研究，獨(dú)立自主研制了多種型號(hào)、系列化的AUV試驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多種水下自主作業(yè)演示試驗(yàn)，并在國(guó)內(nèi)首先實(shí)現(xiàn)了110km的自主航行（2005年），以及首次利用自主研制的AUV完成了海底沉船的探測(cè)試驗(yàn)和海底地形地貌的探測(cè)試驗(yàn)（2010年）。

“十二五”期間，在國(guó)家對(duì)海洋科學(xué)考察、深海資源探測(cè)、海洋工程的油氣管道探測(cè)等需求牽引下，國(guó)內(nèi)開(kāi)始了較大深度的AUV的研制開(kāi)發(fā)。其中，科技部確定了可潛深1000m、最大速度5節(jié)、2節(jié)速度下續(xù)航力36h的小型海底地形地貌探測(cè)AUV研制項(xiàng)目和可潛深4500m的大洋礦物探測(cè)AUV研制項(xiàng)目（圖10-5）；工信部確定了可潛深2000m的海底管道探測(cè)跟蹤AUV的研制項(xiàng)目；某部委確定了極限水深2000m、最大速度8節(jié)、2節(jié)速度下續(xù)航力36h的海底特種目標(biāo)探測(cè)定位的AUV研究項(xiàng)目和多AUV協(xié)同探測(cè)作業(yè)研究項(xiàng)目等。

圖10-5 “海靈”號(hào)AUV（a）和“潛龍二號(hào)”AUV（b）

總體上，經(jīng)過(guò)20余年的研究，國(guó)內(nèi)在AUV的運(yùn)動(dòng)控制、水下目標(biāo)圖像的處理和特征提取、水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的自主追蹤等方面取得了世界一流的成果，發(fā)表了大量的高水平論文。在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和集成、水下推進(jìn)器研制和承壓電池組研制等方面取得了很大進(jìn)展，在深水浮力材料研制、復(fù)合材料應(yīng)用、水下高精度導(dǎo)航裝置研制、水下高分辨率聲學(xué)探測(cè)裝置和水聲通信裝置研制等方面也取得了較大進(jìn)步，形成了很多可用的產(chǎn)品，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。目前，國(guó)內(nèi)在AUV的智能理論與方法研究、多AUV協(xié)同控制研究、系統(tǒng)與設(shè)備的高可靠性硬軟件研究等方面與國(guó)外相比還有一定欠缺，在開(kāi)展實(shí)際海上應(yīng)用方面差距較大。

10.2.2 AUV技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

AUV通常采用電池供電、衛(wèi)星通信、聲學(xué)導(dǎo)航，其“大腦”是一片或多片嵌入式微處理器。AUV在水下的導(dǎo)航基于對(duì)航速、航向和姿態(tài)的測(cè)量以及利用聲吶測(cè)速，并周期性地浮上水面利用衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)校正航行誤差（張燕武，2016）。

近年來(lái)，隨著海洋油氣工業(yè)的發(fā)展，特別是深海油氣工程的發(fā)展，對(duì)海洋調(diào)查、海底考察、海底管線探測(cè)等方面的需求越來(lái)越大。傳統(tǒng)的深拖完成上述作業(yè)成本高且效率低。所以，采用AUV進(jìn)行深海探測(cè)和考察，已成為國(guó)際上海洋科學(xué)考察和海洋石油工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。另外，通過(guò)AUV的探測(cè)和定位，可為載人潛水器（HOV）或無(wú)人遙控潛水器（ROV）的定點(diǎn)精細(xì)作業(yè)提供準(zhǔn)確的小范圍區(qū)域，從而大大減少搜索時(shí)間，提高作業(yè)效率。AUV的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)母船的依賴程度小，甚至有不依賴于母船的，水下活動(dòng)范圍大，并可在大潛深下自主工作，特別適用于深海海底自動(dòng)觀測(cè)，并能通過(guò)水聲定位較準(zhǔn)確地確定海底目標(biāo)的大地坐標(biāo)。

AUV能對(duì)地形跟蹤航行，即在保持與海床的同一高度上進(jìn)行航行和探測(cè)，而水面船拖曳的聲吶系統(tǒng)（拖魚(yú)）就很難做到這一點(diǎn)，因而，AUV獲得的海底圖像數(shù)據(jù)的質(zhì)量高于拖曳聲吶的圖像。另外，在800m以深的深海探測(cè)中，拖魚(yú)探測(cè)數(shù)據(jù)的位置偏差可能較大，探測(cè)的效率可能降低，而AUV可通過(guò)調(diào)整航向，比較精確地保持在指定航線上，轉(zhuǎn)彎速度快，提高了探測(cè)效率。

目前，應(yīng)用于海洋科學(xué)研究和海洋工程領(lǐng)域的AUV正朝著適應(yīng)大潛深、大航程、模塊化、多功能和高可靠性的方向發(fā)展。另外，為了提高工作效率和探測(cè)范圍，多AUV協(xié)同探測(cè)也是重點(diǎn)發(fā)展方向。與單個(gè)AUV相比，多AUV系統(tǒng)能大幅縮短探測(cè)時(shí)間，從而更為及時(shí)地完成特定區(qū)域的環(huán)境感知。同時(shí)，多AUV憑借其空間分布性的特點(diǎn)，可完成大范圍內(nèi)特定物理量的同時(shí)探測(cè)，從而得到某些物理量的空間描繪，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)其演變過(guò)程的預(yù)測(cè)，這是單個(gè)AUV無(wú)法做到的。