文章来源：海天探索者
由于人类自身能力的限制，对于水下的强压和黑暗环境，利用水下机器人成为了一种必然的选择。水下机器人逐渐趋向无人化，使其可在高危险、被污染以及零可见度的水域环境下工作，配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，可以完成实时视频传输、声呐图像绘制，抓起重物等各种专业操作。目前，无人水下机器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）已经在海洋探索、渔业养殖、水下检测维修、搜救、消费娱乐、军事、教育等领域得到广泛应用。
UUV主要分为遥控式水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）。ROV通过线缆由母船或地面站提供动力和远程遥控，并与地面站系统可以进行实时的数据通信。跟自主式水下机器人相比，其速度、机动性能和运动范围都受到缆绳的限制。AUV由于没有缆绳限制，在水下可以获得更灵活的运动空间，机动性更强，重量和尺寸也可以更小。AUV相对于其它水下机器人所具有的自身优势，使其成为水下机器人领域的一大热点。
自主/遥控水下机器人（ARV）是近年来研发的一种混合式水下机器人，融合ROV和AUV的优点，具有水下定点作业和大范围探测的功能。与AUV相比，ARV可以携带机械手、采水器等部件，增加了潜水器的作业能力；与ROV相比，ARV摆脱了光缆的束缚，把作业范围提升到几公里甚至几十公里。由于当前我国的水下机器人还无法达到较高的自主作业、识别、判断等智能化作业能力，ARV也是一个具有较高研究价值的方向。
图1 水下机器人分类
一、应用场景
水下机器人（如ROV、AUV等）因其适应复杂水下环境的能力，被广泛应用于多个领域。以下是典型的应用场景举例：
（1）海洋资源勘探
油气开发：检测海底管道、钻井平台结构，维护水下生产设施（如阀门、井口）。
矿物勘探：搜索海底多金属结核、热液硫化物等资源。
生物资源调查：采集深海生物样本，研究海洋生态链。
图2 水下机器人在海洋资源（包括生物资源、矿产资源、海水化学资源、动力资源）中的应用
图3 “大洋一号”科考钟“海龙号”首次观察到太平洋底罕见的巨大“黑烟囱”
图4 “海龙号”用机械手获取热液样品、搜集周边微生物样本
（2）水下工程与维护
基础设施检测：检查桥梁桩基、大坝裂缝、港口设施等水下结构。
电缆/管道运维：修复海底通信电缆、输油管道或天然气管道。
沉船打捞：协助定位沉船残骸、打捞贵重物品或危险品（如化学品）。
图5 水下吸附式机器人做大坝渗漏检测（来源：长江设计公司）
图6 西藏某水电站坝上公路交通桥墩水下地形图（来源：北京汇海）
图7 桥墩水下基础冲刷及淘空检测结果（来源：北京汇海）
图8 1966年全球第一个遥控水下机器人CURV1在西班牙海域856米水深处打捞起一颗失落的氢弹
（3）环境监测与保护
水质分析：实时监测污染物扩散（如石油泄漏、塑料微粒）。
生态修复：清理淤泥、海底垃圾、移除废弃渔网，保护珊瑚礁。
灾害预警：观测海底地震活动或火山喷发迹象。
图9 某城市地下泵站清淤现场（来源：广州江达）
图10 深圳松岗河暗涵清淤机器人作业（来源：中建三局绿投公司）
（4）军事与安防
排雷与侦察：探测和清除水雷，执行秘密军事任务。
边防巡逻：监控领海水域，防范非法入侵或走私活动。
反恐搜救：协助水下人质营救或危险品处置。
图11 美国“金枪鱼”系列主要用于反水雷、海洋环境调查等
（5）科学研究
深海探索：研究深海热液喷口、极端环境生物（如嗜热菌）。
极地科考：探测冰川融化和冰下海洋环境。
考古发掘：协助水下古城、沉船遗址的考古研究。
图12 2009年Jason号遥控水下机器人拍摄到海底火山爆发
斯坦福大学的机器人团队研发出名为 OceanOneK 的水下人机交互机器人，通过远程操控，让人形机器人以最接近真人潜水的方式在水下 1000 米实现探索，最大程度地实现了人机交互，也最大程度地保护了遗址的完整性。该团队称，机器人的触觉、基于触摸的反馈系统和立体视觉提供了惊人的逼真感觉，可让机器人在水下 1000 米以上的地方拥有人类的触觉、视觉，同时与水中物体互动，让操纵者拥有身处水下的感觉。
图13 2021年斯坦福大学研制具有触觉反馈的OceanOneK在地中海探测海底坠机和沉船
（6）水产养殖
网箱监测：检查养殖网箱破损、鱼群健康状况。
自动化投喂：精准投放饲料，减少浪费。
疾病防控：采集水样分析病原体，预防大规模病害。
图14 水下海洋牧场机器人定期巡检养殖场、监测水质参数等（来源：大连探索海洋）
（7）旅游与娱乐
水下拍摄：为纪录片、电影提供高清影像（如鲨鱼追踪）。
潜水辅助：引导潜水员安全探索复杂水下地形。
虚拟体验：通过机器人直播海底景观（如珊瑚产卵奇观）。
图15 Sublue深之蓝“白鲨MIX”用于潜水娱乐
二、研究现状
（1）AUV
世界上很多海洋大国早已开始AUV的研究，在上世纪七八十年代就出现了多种不同结构和用途的AUV。随着工艺和技术越来越成熟，AUV的能力越来越强大，应用范围也越来越广泛。AUV所涉及到的关键技术包括能源高效应用、导航定位技术、智能控制技术、可靠性及容错技术等。
美国在水下机器人领域一直处于世界领先地位，美国Hydroid公司研发的REMUS（Remote Environmental Monitoring Units）系列AUV，该系列产品基本都有类似鱼雷形状的外观，图16为REMUS1000型号AUV，下潜深度1000m，曾经被用于2003年海湾战争中搜寻水雷及航道的调查，REMUS6000型号在2011年还用于法航客机失事中搜寻飞机黑匣子和残骸。图17为蓝鳍金枪鱼-21型AUV，是一款广为人知的水下机器人，由美国军方研发，专门用于水下搜救作业任务，最大下潜深度4500m。
图16 REMUS1000型AUV
图17 能下潜4500m以7.5cm的分辨率搜寻水下物体的bluefine-21
近日，美国波音公司研制的“虎鲸”超大型无人潜航器完成首次自主航行测试，潜航器长26m，直径2.6m，最大下潜深度达3400m，远超现役大多数潜艇。采用混合动力方式，确保在6500海里航程内保持静音航行；采用模块化设计，可根据任务需求，最多可搭载8吨不同载荷（可携带12枚Mk62水雷或8枚Mk67水雷），通过预设程序自主完成布雷任务。它不仅能执行布雷任务，还可搭载侦察设备、反潜武器等，实现多任务能力。
图18 波音公司研发的“虎鲸”能悄无声息地在9600公里范围内秘密布设水雷
图19 REMUS6000于2011年在大西洋3900m深处发现法航447的残骸
图20 用于美国西海岸珊瑚、海绵和鱼类栖息地调查Seabed AUV
英国南安普顿国家海洋地理中心开发的Autosub系列机器人，该系列AUV包括Autosub Long Range，Autosub6000，Autosub3等，其在海洋中执行各种科学考察任务已经接近1万公里累计行程。图21为Autosub6000型号AUV，专为深海探测设计，能够下潜到6000m的深度，因此可以在地球90%以上的洋底实行探测任务，其装备高分辨率声呐以及多种传感器包括电化学氧化还原传感器、电导率传感器等，用于详细地形的测绘和海底特征的研究，可以实现高精度的导航和海底地形跟踪。
图21 Autosub6000型号AUV
俄罗斯作为传统的军事强国在AUV领域也有很多成就。早在苏联时期就已经开始了AUV的研发，积累了非常充足的经验，并取得了一系列成就。俄罗斯研发的MT-88和MMT-3000，用于海底的资源探测和海底地形测绘，最大工作深度分别为6000m和3000m，最大航速分别为3节和5节，长度分别为3.8m和2.2m，重量分别为1000Kg和200Kg。图22为MMT-3000型AUV，直径为43cm、航速为3节时的续航时间可以达约30h。
图22 MMT-3000型AUV
挪威作为发展久远的海洋国家，在AUV领域拥有一些突出的研究成果。康斯博格海事公司（Kongsberg Maritime）是一个在世界范围内都拥有巨大名誉的海洋和水下相关领域企业。HUGIN系列是其公司的代表产品，具有稳定性、高精度和强大的机动性，拥有优秀的海底自主的探测运行能力。其中具有代表性的AUV是HUGIN3000型，最大工作深度3000m，全负荷续航能够达到60h，最大航程近400km，主要用于水下探测工作。图23为其最新的研究成果HUGIN Superior系统，于2018年12月完成，能够为各种防御体系进行数据增强、提升，在运行的稳定性和可靠性上获得大量的提升，其体长6.6m，重量2200Kg，最大下潜深度6000m。
图23 HUGIN Superior型号AUV
日本作为一个岛国，其AUV开发经验也十分的丰富，对于AUV的研究启动的非常早，在国际上也拥有不错的声誉。日本开发出的典型AUV主要有PTEROA250、R2D4和YUMEIRUKA。这3种AUV最大工作深度分别为6000m、4000m和3000m，主要用于海底电缆的检修和维护、水下环境的测绘、海底石油和天然气开发勘探等任务。图24为R2D4型AUV，重量为1600Kg，在3节航速下续航时间12h。YUMEIRUKA型具有自主路径规划能力。
图24 R2D4型号AUV
我国对于AUV的研究起步时间相对较晚，在上世纪90年代前，国内水下机器人研究主要以遥控式水下机器人（ROV）为主。直到90年代，沈阳自动化研究所联合中国科学院声学所、中国船舶702所和高校以及俄罗斯科学院海洋技术研究所组织合作，才在AUV领域取得突破。1994年“探索者”号研制成功，它工作深度达到1000米，甩掉了与母船间联系的电缆，实现了从有缆向无缆的飞跃。
图25 “探索者”号AUV
从1992年6月起，与俄罗斯科学院海洋技术研究所合作，以我方为主，开始研制6000米无缆自治水下机器人。1995年8月，CR-01无缆自主水下机器人研制成功，使我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列，成为世界上拥有潜深6000米自治水下机器人的少数国家之一。CR-01使我国具有了对除海沟以外海域进行详细探测的能力，中国大洋矿产资源研究开发协会被联合国批准为第五个深海采矿的先驱投资者，承担30万平方公里洋底的探测任务，并最终拥有对矿产资源最丰富的7.5万平方公里海域的优先开采权。
图26 6000米自治水下机器人CR-01
2011年11月，由国内多家科研所共同研制的“潜龙一号”，其长度为4.6m，直径0.8m，工作深度1500m，最大续航能力24h。在研制与实际应用过程中，“潜龙一号”用于海底地质的判断、海底地形的探测和水文测量等任务，获取了实验海域的大量地形地貌、资源分布等数据。而后“潜龙二号”在“潜龙一号”的基础上进行改进，其机动性、避碰、快速三维地貌地形成像能力获得大大提升，且浮力材料实现基本国产化。“潜龙三号”在“潜龙二号”基础上进行了优化升级，“潜龙三号”具备微地貌成图、温盐深探测、甲烷探测、浊度探测、氧化还原电位探测等功能。如图27所示。经过几十年的发展，我国的AUV技术已步入国际前列，正朝着智能化、微型化发展。
图27 潜龙“一、二、三号”系列
（2）ROV
ROV主要应用于海洋石油开采业务。1975至1985年，由于海洋油气业的迅速发展，水下机器人飞速发展进入一个全新的发展时期。到1981年，无人遥控水下机器人市场保有量400余艘，其中90%以上用来直接或间接为海洋石油开采业服务。海洋石油和天然气开发的需要，推动了水下机器人理论和应用的研究，水下机器人的数量和种类显著增长。
ROV数量众多，设计各不相同，功能及复杂度千差万别，英国Douglas Westwood根据业界实践，将ROV分为7种类型：
微型ROV（Miniature ROVs, MROVs）
微型ROV是目前行业销量增长最快的细分市场。通常是全电力系统，用于检查和监测开放水域或有限空间水域（如水箱）等。MROV可用于各种环境，如洁净水、污染水、冷水、海水等，工作深度一般在100m以下。如果在其他大型潜水设备上使用，理论上可以达到任何深度。一些MROV装备了图像声纳，这使它们能够在低能见度环境中使用。此外还可以配备小型机械手等。
图28 图10 微型ROV
眼球型ROV（Eyeball ROVs, EROVs）
一种带有摄像头的球形遥控潜水器（ROV）的设计，由于运动类似于人眼，因此称为眼球ROV。驱动方案采用两轴万向节来改变 ROV 质心的位置。这会在 ROV 部分创建连续和无限的旋转，从而允许摄像机进行平移和倾斜。虽然EROV不具备工作级ROV的功率和负载，但它也可以作为各种传感器、工具和机器人的平台。大多数EROV的工作水深在300m以内。随着技术的进步，其工作水深和功能也在不断提高。
图29 眼球型ROV
观察型ROV（Inspection ROVs, IROVs）
通常用于水下结构和硬件的检查、测量、打捞和采集物理和图像样本。IROV可以配备类似WROV的机械手，但该机械手不是固定搭配，而是可以随时拆卸，这使得IROV具有很大的灵活性，在执行不同任务时可以选择不同的设备。早期的IROV采用液压推进，现在越来越多地采用电力推进。大多数IROV可在水深达1000m的水中作业。在海洋可再生能源领域，IROV由于其功能和成本的考虑而得到了广泛的应用。
图30 观察型ROV
拖曳型ROV（Remotely Operated Towed Vehicles, ROTVs）
拖曳式ROV由水面舰艇拖曳，是水下传感器的平台。ROTV的水平和垂直位置由其表面的控制单元控制，使其能够准确地执行测量等任务。ROTV体积更大，通过拖缆提供足够的功率和数据传输速度，因此ROTV可以携带比AUV更多的测量设备和传感器。ROTV测量具有很高的稳定性，并能获得精确的纬度、经度、海拔高度等位置信息。ROTV的线性测量方法可用于海底电缆和管道的检测，以及军用鱼雷的检测。与WROV相比，ROTV的测量速度更快，但不能像WROV那样深入细致。使用ROTV的船舶通常也会配备IROV，以监测ROTV在执行任务时是否异常。
拖曳型ROV类似拖鱼，拖鱼一般指的是由测量平台（母船）牵引的测量仪器。例如侧扫声呐、海洋磁力仪的拖曳装置等。
图31 拖曳型ROV
作业型ROV（Work-Class ROVs, WROVs）
主要应用于油气开发行业，包括钻井支撑、施工支撑、检查、维修和维护等子行业。操作型ROV通常配备2个机械手，可以直接抓、推、拉等工具，也可以使用其他工具。作战ROV通过电缆获取动力和控制信息，可用于监测和勘探，也是各种水下工具的平台。一些制造商根据所执行的任务将WROV分类为重型和超重型，而另一些制造商则将WROV分类为调查型，因为它可以携带大量传感器和高数据传输速度。WROV通常部署在配备ROV发射和回收系统(LARS)的专用船舶上。WROV的工作水深在1000m以上，通常在3000~4500m之间，这也是大多数商业作业的范围。根据任务的不同，一些WROV可以到达更深的水域。
图32 Magna水下机器人检测海底管道
图33 海洋探索公司（Ocean Exploration）的深海发现者（Deep Discoverer）
履带型ROV（Tracked ROVs, TROVs）
主要用于海底采矿、电缆/管道的安装和埋设等。由于TROV主要在海底作业，所以它们使用履带来促进移动。目前，大量TROV被用于海上可再生能源项目的电缆安装，或用于海上风力涡轮机安装位置的水文特征。有些TROV被长时间放置在水下进行海洋观测。
图34 清理二战遗留海底有毒弹药的带机械手ROV
图35 Nautilus Minerals的深海挖矿机器人（Nautilus Minerals图片）
ROV运动方式可分为浮游式、履带式和爬行式3种。浮游式呈现零浮力，依靠其自身推进器在水下进行三维空间运动；履带式多用于电缆铺设等海底施工；爬行式目前比较少见。
图36 在海底多足爬行的Crabster CR200
挖掘型ROV（Ploughs）
挖掘型ROV是目前最大的ROV，用于易受鱼类干扰或破坏的水域中埋管。一般由一艘大型船只提供动力，船上有大量的工具、设备和系统，这些工具、设备和系统的建造和使用成本都很高。
图37 Tractor履带行进式海底管缆埋设机器人（来源：深海智人）
以上分类方法可能过于复杂。对于ROV还有一种更简单的分类方法，即只将ROV分为观察级和操作级。观测级ROV对水下基础设施、渔业、船体、科研项目等特定水下目标进行定期观察和检查。它的核心部件是水下推进器和水下摄像系统，有时还辅以导航和深度传感器等传统传感器。机身尺寸和重量小（通常小于15Kg），负荷低，成本低。工作水深一般为1500m。
图38 工业级水下机器人
（3）ARV
自主/遥控水下机器人（ARV）作为一种混合型潜水器，兼有AUV和ROV的双重特性,它作为海洋探测和作业的理想载体，在体系结构上具有开放式、模块化、可重构的特点，在控制方面具有多种控制方式（自主、半自主、遥控）。它可以通过搭载各种成熟探测器和传感器进行定点观测、区域搜索，也可以搭载机械手、采水器等进行水下轻作业。
ARV与传统ROV和AUV存在显著的区别。ROV依靠中继器等复杂的线缆管理系统，能够进行长时间的局部精细化作业，体现了其稳定性和耐久性。而AUV则摆脱了线缆的束缚，表现出更大的灵活性和自主性，可执行大范围探测任务。在ARV的有缆模式下，通过配备小型光纤压坠器，可以实现与母船的实时通信，确保了信息的及时传递和指令的准确执行。此外，ARV在无缆模式下也能展现出AUV的功能，灵活地完成大范围自主探测任务。
ARV作为当前水下机器人领域的研究热点,是人类进行海洋探索的重要方向。21世纪初期，ARV作为新型的混合型机器人的概念提出后，中国科学院、中国船舶重工、各大院校陆续开始了对ARV研究。
2008年，中国科学院沈阳自动化研究所完成了“北极”ARV的研制，作为率先提出ARV概念的单位，中国科学院沈阳自动化研究所研制的“北极ARV，在研制成功后的6年内前后三次参加北极科考任务，完成了对指定海冰区域的观测和海冰分布调查任务。
图39 2008年中科院沈自所研制的“北极”ARV
2009年，中船702所完成“海筝I型”ARV原理样机的研制，分ROV样机研制和AUV技术研究两个阶段。2010年，又启动“海筝Ⅱ型”ARV的研制，在千岛湖湖试中，完成了ARV基本功能测试。此外，参与某大型水电站引水洞的探查任务和国外排海管道内部检查任务。
2013年，上海海事大学完成了“海事一号"ARV的研制。该ARV重85kg，最大下潜深度150m。由于“海事一号”ARV的结构小、重量轻，具有经济性、灵活性等优点，可应用于浅海渔业监测、水下打捞和搜救等作业。
2020年，由中科院沈自所牵头联合多家单位共同研制的“海斗一号”全海深自主潜水器（ARV）完成了万米海底试验验证，实现7次万米深度下潜，最大下潜深度达到10907m，刷新当时我国水下机器人最大下潜和作业深度的纪录。“海斗一号”在高精度深度探测、万米以下工作时长、机械手作业、声学通信、声学探测与定位、高清视频等方面，创造了我国潜水器领域多项第一，完成了对马里亚纳海沟最深区域的巡航探测与高精度深度测量，首次实现AUV万米海底自主声学巡航探测和高精度深度测线，并完成万米深渊海底样品抓取、沉积物取样、标志物布放、水样采集等系列化作业。
图40 2020年“海斗一号” ARV完成万米海底试验
图41 2021年“思源号”无人潜水器（ARV）在西太平洋海域试验
图42 2022年“问海1号”6000米级自主遥控水下机器人完成海上试验
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类型 |
名称 |
设计潜深/m |
研发单位 |
HOV |
蛟龙号 |
7000 |
中国船舶集团 |
深海勇士号 |
4500 |
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奋斗者号 |
10000 |
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彩虹鱼号 |
11000 |
上海海洋大学 |
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AUV |
潜龙一号 |
6000 |
中国科学院 |
潜龙二号 |
4500 |
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潜龙三号 |
4500 |
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探索4500 |
4500 |
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ROV |
海龙Ⅲ |
6000 |
上海交通大学 |
海马4500 |
4500 |
上海交通大学 |
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海星6000 |
6000 |
中国科学院 |
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海马11000 |
11000 |
上海交通大学 |
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ARV |
北极号 |
4000 |
中国科学院 |
海斗号 |
11000 |
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