文 / 封锡盛①, 李一平①②
① 中国科学院沈阳自动化研究所, 机器人学国家重点实验室, 沈阳 110016;
② 中国科学院大学, 北京 100049
摘 要：中国科学院沈阳自动化研究所拥有一支规模较大的机器人研究队伍, 建有机器人学国家重点实验室, 海洋机器人研究是其重要的研究分支, 30 多年来其通过自主研究建立了坚实的基础, 通过国际合作弥补短板, 提升了研究水平, 进而实现了自主创新, 并在海洋机器人研究与开发领域中创造了多项国内第一, 在国内一直保持先进水平, 在国际上也拥有一定的知名度。本文对沈阳自动化研究所 30 多年来在海洋机器人领域的科研历程做了简要回顾, 对未来发展进行了展望.
关键字：海洋机器人 遥控水下机器人 自主水下机器人 载人潜水器 水面机器人
海洋机器人(unmanned marine vehicles, UMV)是人类认识海洋、开发海洋不可缺少的工具之一, 亦是建设海洋强国、捍卫国家安全和实现可持续发展所必需的一种高技术手段. 海洋机器人在机器人学领域属于服务机器人类, 它包括水下机器人(unmanned underwater vehicles, UUV)与水面机器人(unmanned surface vehicles, USV). 在国家标准 GB/T13407-92《潜水器与水下装置术语》中, “水下机器人”应称为“无人潜水器”, 该标准发布20 年来, 这一称谓未被普遍接受, 实际使用率低且国标内容已陈旧, 与当前发展不适应, 因而, 本文继续使用频度较高的“水下机器人”这一名称, 它包括有缆遥控水下机器人 (remotely operated vehicles, ROV)和自主水下机器人(autonomous underwater vehicles, AUV) 2 大类. 此外由于载人潜水器在技术和功能上与水下机器人有共性, 有少数文献将其纳入水下机器人类. 其实这 3 类机器人的主要差异在于操作模式, 操作者在机器人体内称为载人潜水器, 位于体外(如母船上)通过电缆进行操作称为遥控水下机器人, 用体内计算机代替操作者则称为自主水下机器人。
世界海洋机器人发展的历史大约 60 年, 经历了从载人到无人, 从遥控到自主的主要阶段. 我国的科研人员用了大约一半的时间走过了这一历程. 加拿大国际潜水器工程公司(ISE)总裁麦克·法兰将海洋机器人的发展历史分为 4 个阶段[1], 并将前 3 个阶段称为革命(revolution): 第一次革命在 20 世纪 60 年代, 以载人潜水器为标志; 第二次革命为 70 年代, 以遥控水下机器人的迅速发展为特征; 第三次革命大体为80 年代, 以自主水下机器人的发展和水面机器人(USV)的出现为标志. 现在则是混合型海洋机器人的时代.本文认可这一说法, 并将上述 4 个阶段称为四代。
目前, 国外拥有的海洋机器人中的主要类型国内均有研制开发, 其总体集成水平大体上达到或接近国际水平, 但在一些关键部件和某些材料的研究方面还有很大差距.
我国在 20 世纪七八十年代先后研发了“鱼鹰”号和“蓝鲸”号载人潜水器. 最具代表性的成果是类似“神舟十号”与“天宫一号”对接的水下对接试验. 一艘7103 深潜救生艇与坐沉海底的潜艇(模拟潜艇失事状态)精确对接, 并将潜艇艇员转移到深潜救生艇中.这是海军航保部门主持, 由上海交通大学等单位完全依靠自主技术研发的重大成果. 40 年后, 我国载人潜水器的潜深能力已从 200 米提升至超过 7000 米.
我国的水下机器人事业起步于 20 世纪 80 年代,中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈阳自动化研究所)是我国较早开展海洋机器人研究的单位之一.30 多年走过的风雨路具有一定的代表性, 本文对这一历史做简要回顾, 并对海洋机器人未来的发展作了简单展望。
20 世纪 70 年代末期, 为了使我国的海洋机器人技术早日跻身国际先进行列及适应海洋开发的需要,我国开始着手海洋机器人的研制工作. 30 多年来, 沈阳自动化研究所的海洋机器人事业稳步发展, 其研究开发的过程从一个侧面反映了我国海洋机器人事业的发展. 其历程大体分为 3 个阶段。
1.1 起步——自主探索(20 世纪 70 年代末期至 80年代中期)
沈阳自动化研究所的研究工作起于第二代遥控水下机器人. 1979 年以蒋新松院士为首的团队在国内最早提出了海洋机器人研究计划. 1981 年, 沈阳自动化研究所承担了中国科学院支持的“智能机器在海洋中应用研究”, 即“海人一号(HR-01)”课题, 开始研制我国第一台作业型遥控水下机器人(见图1), 其总功率 20 马力, 最大作业水深 200 米, 装有 6 功能带有触觉的主从伺服机械手, 包括电动主手和液压从手,主、从手之间采用双向反馈形成力感, 并以当时较为先进的多片微控制器构成了相当于机器人大脑和神经的控制和通信系统. 该机器人以海洋石油开发、打捞救生作业等为应用背景, 课题研究工作得到上海交通大学的大力合作, 进展顺利, 1985 年完成了首航,1986 年改进后的“海人一号” 完成了海上试验. “海人一号”是我国科研人员完全依靠自主技术和立足于国内的配套条件开展的研究工作, 是我国水下机器人发展史上的一个重要里程碑事件。
“海人一号”的研究进展加深了科研人员对这种海洋装备的科学认识, 积累了技术及经验, 锻炼了人才, 培养了队伍. 当时, 对于我国是否应当大力发展机器人产业是有争论的, “海人一号”的成功对后来我国机器人研发和产业化起到了促进作用. 经媒体报道后, 水下机器人潜在的应用前景引起了国内、外的关注. 此后国内的相关科研力量开始向这一方向聚焦. “海人一号”属原理样机, 距离实用还有很大距离,这也使我们认识到我们与国际先进水平的差距, 以及向国外同行学习的必要性. “海人一号”的成功为后来国际合作奠定了技术基础.与此同时, 沈阳自动化研究所又开发了小型遥控水下机器人“金鱼”号, 六足步行海底机器人“海蟹”号和“海潜”号等多种类型遥控水下机器人, 分别应用于水库大坝拦污栅检查、石油钻井平台、海底探查、救助打捞、水电站大坝检测等场合。
1.2 合作——共谋发展(20 世纪 80 年代后期到 20世纪末)
1986 年, 沈阳自动化研究所与美国佩瑞公司签订了“RECON-IV”中型水下机器人技术引进合同, 仅就技术复杂程度而言, “RECON-IV”远不及“海人一号”, 但是“RECON-IV”是国际上有知名度的实用产品, 实用化是我们需要弥补的差距, “RECON-IV”的电子设备全部集中于水面控制台, 水下部分仅为执行器和传感器, 整机系统可靠性高和易于维护. 当时国内水下机器人还是新事物, 没有相关配套条件,90%以上的零部件均需进口, 例如, 水下机械手及作业工具、水下电机、系缆、铠装主缆、浮力材料、各种传感器、水下摄像机、水下照明灯及云台、水密接插件等, 甚至连紧固件都需要进口. 随后在国家有关部门支持下开展了国产化工作, 十多个单位与沈阳自动化研究所共同攻关, 经过 3 年的努力, 国产化取得很大进展, 所需进口的部件全面国产化, 但是大量采用国产零部件后的“RECON-IV”整机可靠性大幅度降低, 以至于在海上服务时故障多, 用户不满意,同时需要大量备品配件支撑, 使得总成本大幅度增加. 后来, 降低国产化零部件的比例至大约 80%才使性能稳定下来. 国产化零部件需要一个通过实践不断改进和完善的过程, 还需要研制单位的重视和坚持, 需要很大的投入. 由于这类装备数量不大, 没有国家政策的支持和扶植就会夭折。例如, 当时国产化的水下电机, 在尺寸和重量相同条件下比进口电机出力大 1 倍, 但因某些缺陷导致最终未能成为可靠的产品, 国内零部件制造的基础薄弱成为水下机器人发展的最大障碍. 引进国外技术可以弥补中、外的差距, 引进技术后不搞国产化是白花钱, 但是全面国产化既不可能也无必要。
随着国产“RECON-IV-300-SIA” (见图 2(a))的诞生和走向海洋石油生产现场, 科研骨干们也分期、分批走上海洋石油钻井平台, 参加现场作业值班和实际操作. 现场环境和实际生产过程的复杂性、多变性、突发性、紧张性以及设备适应性、操作便利性及如何实现进一步提高效率等实际问题使科研人员有了深刻的体会, 他们的感性认识得到大幅度提升, 这些融化在他们的科研理念和设计思想中. 人的科研素质和能力的提高对沈阳自动化研究所的研究水平提升起到至关重要的作用。
1990 年, “RECON-IV-300-SIA”首次销往国际市场, 我国第一次有了可以参与国际招标竞争的水下机器人产品. 此后, 多次在国际招标中中标并在我国南海石油钻井平台上服务, 同时为国内有关部门提供了 20 多套各种类型的遥控水下机器人系统, 成为国内唯一向国内外市场提供海洋机器人产品并提供各种技术支持和水下工程服务的单位. 目前, 沈阳自动化研究所不仅可为用户定制潜深 1000 米以浅的各类遥控水下机器人产品, 还能提供水下灯、云台、多种类型水密接插件、水下伺服机械手、开关机械手、水下作业工具(如清洗、切割、更换牺牲阳极、回收大型沉物夹持器)、人机交互设备总成、具有防摆止荡功能的大型甲板成套布放与回收设备等。
自主水下机器人没有电缆、自带能源、不靠遥控、依靠机载自主能力执行作业, 是用机器智力代替人的智力的先进的第三代水下机器人, 其潜在应用意义巨大. 从 80 年代末期起, 沈阳自动化研究所与 702所、中国科学院声学研究所、哈尔滨工程大学等单位组成团队, 在国家 863 计划支持下, 完全依靠自主技术开展研究, 利用 3 年时间研制成功我国第一台潜深1000 米的自主水下机器人——“探索者”号[2], 在深潜技术、自主控制、规划与驾驶、先进电子及计算机系统和软件、导航定位、避碰、故障诊断、视觉导引、全自动布放与回收、地形地貌探测、水声通信、流体动力学设计、建模、推进、抗高水压动力单元等领域进行了全面探索和开发. 这些为我国自主水下机器人的发展奠定了坚实的基础。
从 1992 年开始, 沈阳自动化研究所与俄罗斯海洋技术问题研究所合作, 着手研制 6000 米级自主水下机器人——“CR-01”(见图 2(b)). 俄罗斯海洋技术问题研究所此前研制的 MT-88 是其第八套该级别的自主水下机器人, 具有较为成熟的深水机器人技术,特别在结构、材料、密封、总体集成、软件、传感器以及深海工作经验等方面具有长处, 但在电子及计算机、流体动力学、浅地层剖面声纳和测深测扫声纳的电子信号处理等方面中方优势明显. 中俄双方专家经过四轮的联合设计, 融合了各方的长处, 确定了“CR-01”的总体方案. “CR-01”于 1995 年研制成功,分别于 1995 年、1997 年两次赴太平洋我国多金属结核开辟区开展调查工作, 获得了大量的海底多金属结核录像、照片及声图资料, 为开辟区资源勘查提供了重要的依据[3]. 上述一系列成果使我国一跃成为世界上少数拥有该项技术和设备的国家之一. “CR-01”被评为 1997 年中国十大科技进展之一, 同年获中国科学院科技进步特等奖和综合重大成果奖。
在“CR-01”研制成功的基础上, 又以中方向俄方采购部件的方式研制了“CR-02”. 与“CR-01”相比,“CR-02”具有适应复杂地形的能力。
近年来, 在上述基础上, 沈阳自动化研究所又自主研制出新一代的 6000 米级自主机器人“潜龙”一号,其安全性、可靠性、海上工作的适应性、续航时间和各种探测设备的性能有了大幅度提高。
为了适应海底通信业发展的需要, 90 年代末期,沈阳自动化研究所与意大利 Sonsub 公司合作, 联合开发了海底行走式遥控水下机器人“海星”号(见图2(c)). “海星”号又称自走式海缆埋设机, 重量小于 10吨, 潜深 300 米, 有 2 只强壮的机械手, 用于抓取海床上的通信光缆, 能以 500 米/小时速度将海底光电缆与接驳盒埋入海底 1.5 米深处. 这是国内首次研制的大型、作业能力强的海底行走机器人, 该项目的研制成功使我国在水下机器人大功率高电压传输、大深度、强作业型机器人的研制方面积累了经验, 也为后续研制大型遥控水下机器人打下了基础。
三次合作的经验告诉我们, 国际合作只有双方技术实力大体对等且合作各方均有所获才有可能,要想进行高水平的国际合作, 自身实力是基础.国际合作使我们接触到不同的机制、理念和文化,如美国合作方注重法律、合同与信誉; 俄罗斯专家则注重责任, 俄罗斯同行极其认真的工作态度, 以及他们能以巧妙的“办法”、极低的代价解决复杂问题(尽管有时显得粗糙)的能力, 令人印象深刻; 意大利的研究和工程两个层次的研发模式对我们也有可借鉴之处。
1.3 创新——自主研发
进入 21 世纪, 沈阳自动化研究所进入自主创新研发海洋机器人的时期. 2002 年, 沈阳自动化研究所着手研制自治/遥控水下机器人 ARV[4]. ARV 是一种集 AUV 和 ROV 技术特点于一身的第四代混合型水下机器人, 它具有开放式、模块化、可重构的体系结构和多种控制方式 , 自带能源并携带光纤微缆.2005~2008 年, 先后研制成功三型 ARV (SARV-A,SARV-R 和北极 ARV). 其中北极 ARV[5]在 2008 和2010 年分别参加了中国第三次、第四次北极科考(见图 3), 获取了大量有价值的试验科考数据, 创造了我国水下机器人在高纬度下开展冰下调查的记录, 为水下机器人技术后续发展和在北极科考中的应用奠定了技术基础, 也提升了我国水下机器人技术水平和国际影响力. 其成果受到了国内外同行和新闻媒体的广泛关注。
在全面掌握了深水自主水下机器人技术的基础上, 沈阳自动化研究所联合国内多家单位, 历经十年,研究并突破了智能控制、精确导航、高效能源应用、海洋环境观测、海底地形地貌探测等关键技术, 历经几百次湖上和海上试验, 于 2010 年研制成功我国首型长航程自主水下机器人, 创造并多次刷新了我国AUV 一次下水连续航行距离和航行时间的记录, 标志着我国已全面掌握了长航程自主水下机器人的技术, 并迈入国际先进水平。
2012 年, 7000 米载人潜水器控制系统成功完成了 7000 米海上试验; 搭载在蛟龙号上的 7000 米遥控水下机器人 2 年前已经完成研制, 有待进行海上试验.该机器人十分轻巧, 带有一只小型机械手, 可由蛟龙号乘员释放、作业和回收, 其电子控制部分可直接承受高水压, 实验室试验压力已达 84 兆帕(8400 米), 这是目前国内研制的潜深最深的遥控水下机器人。
此外, 强作业型遥控水下机器人、快速反应型水下机器人、水下滑翔机器人、用于水下传感网的接驳盒等也相继研发成功. 在前沿探索领域, 先后开展了仿鱼、水面救助、六足步行、海底遁行、轮桨腿一体化、波浪能滑行、水面/水下两栖以及半潜航行器等海洋机器人的理论和试验研究。
30 年来, 沈阳自动化研究所的海洋机器人研究开发工作, 实现了从遥控到自主, 从浅水 200 米到深水 6000 米, 从航程几十公里到远海几百公里, 从单机到集群, 从水中扩展到海底和海面, 从概念研究到产品研发、应用及服务的技术跨越(见图 4), 实现了从跟踪研究到自主研发, 从市场牵引创新向市场牵引创新与创新引领市场并举的转变.。
但是, 一个重要产品的研发和转化需要 10~15年 的时间, 需要国家计划、相关应用领域用户的支持.正是在国家高技术研究发展计划、中国科学院、海洋用户的大力支持下, 沈阳自动化研究所的海洋机器人装备研发才能走过 30 多年的历程。
海洋机器人作为一种装备归于高端制造业, 属于国家支持的战略新兴产业范畴, 虽然其体量短时间内不会很大, 但具有战略制高点的作用. 总的来说,海洋空间不适合人类的生存, 大规模开发和利用海洋资源对机器人和机器人技术有很大的期待和依赖.以机器人代替人推动和实现海洋装备无人化具有深远的战略意义. 有人海洋平台, 包括民船和军船, 都在走数字化、自动化、少人化和无人化这条发展路线,而无人化本质上就是机器人化, 这是今后海洋装备发展的潮流, 也是意义深远的战略方向。
国外遥控水下机器人技术在 20 世纪就已经成熟,有人介入的这种作业模式已经成为复杂环境中进行深水作业的最有效(潜水员、载人潜水器均有局限性)甚至是唯一的手段, 这种作用至少今后一二十年内不会改变。
为了适应未来深海资源开发的需求, 遥控类型水下机器人将向大深度 3000~6000 米发展, 作业动力将从目前 100~200 马力向数百乃至上千马力发展[6].信息化、虚拟、人工智能、图像处理、3D 视频、脑电和头盔以及脑科学技术的进展将大大地改善操作者的工作环境, 使人机交互操作更加高效、简单、轻松和安全. 水下机器人与水面机器人相结合, 无需大型支持母船驻留现场, 将大幅度降低作业成本. 同时,又便于实现远程监视与操作. 基于水声通信及水下网络的新型水下机器人将会出现, 使作业能力向更广的维度扩展. 水下机器人技术与网络技术的结合推动了水下网络的发展, 除传感网外, 水下执行网、物联网、移动传感网将得到发展。
过去人们面对浩瀚的海洋只能望洋兴叹, 海洋机器人的出现和发展, 将人的眼、手、足延伸进了海洋空间, 替身海洋机器人承载着人类的寄托和梦想,将代替人巡游海洋的任何角落, 去发现、认识和研究海洋。
我们可以换一个角度看待自主机器人, 即自主机器人也是人, 因此, 对机器人的研究也可以从行为开始, 一系列的行为构成了机器人的自主能力. 机器人的自主能力需要度量, 即划分为不同的级别, 级别与使命复杂度相关. 将来会出现“学士级”、“硕士级”和“博士级”的机器人. 显然, 智能自主能力研究是当前和未来的研究重点之一。
由于海水介质的特殊性, 相比其他类机器人而言, 水下机器人更需要有强大的自主能力, 包括环境认知、推理、决策、规划、学习和合作能力. 但是, 从另一个角度来看, 人们不会允许自主机器人成为独立“王国”, 人在回路技术(有别于遥控)应当大力发展。
水面机器人有高效率和低代价的特点, 就象无人机正在逐步取代有人飞机一样, 水面机器人逐步取代人驾驶的水面船正在成为一种趋势。
两栖(水面、水下)、三栖(水面、水下、空中)海洋机器人将出现, 融合水面、水下、遥控和自主机器人优点的第四代海洋机器人将得到快速发展。
随着技术进步和制造成本的降低, 几百至上千条各类海洋机器人组成的大规模混合编队, 将能承担起区域及全球海洋精细探测任务, 这些将对数字海洋、智慧海洋工程建设起到重要作用。
现代水面、水下自主机器人的连续航程已经达到数百公里至上千公里, 其上可携带能对人类构成伤害的设备或武器, 因此对海洋机器人的法律地位与伦理问题已经提上研究日程。
发达国家, 遥控水下机器人技术及制造产业已经成熟, 整机产品及零部件主要由近百家中小型企业生产制造和提供服务. 近几年, 国内出现了几十家小型水下机器人公司, 几乎都是国外产品的代理商.除了研究机构和大学以外还没有一家真正基于自主技术制造海洋机器人的企业. 国家正在部署水下机器人产业化, 要实现这一目标重点在于市场的开拓和基础材料、重要零部件、各种高精度探测设备、仪器仪表和传感器的研究开发. 相比遥控水下机器人,在国际上自主水下机器人和水面机器人仍处于从实验室走向应用的过渡阶段, 产品尚未完全成熟, 除军用外, 只有少数型号能作为商品出售, 其应用范围还有待开拓. 这类机器人一旦自主能力、通信及能源技术有突破性提高, 其应用前景将非常广阔, 更为重要的是, 海洋机器人作为无人化海洋装备正在推动有人平台实现无人化的大潮流. 人类来自海洋, 但是人类已经无法返回故乡, 海洋机器人正在圆人类回乡之梦。
[1] McFarlane J R. Tethered and untethered vehicles: The future is in the past. Mar Technol Soc J, 2009, 43: 9–12
[2] 封锡盛. 从有缆遥控水下机器人到自治水下机器人. 中国工程科学, 2000, 2: 29–33
[3] 李一平, 封锡盛. “CR-01”6000 米自治水下机器人在太平洋锰结核调查中的应用. 高技术通讯, 2001, 1: 85–87
[4] Li Y P, Li S, Zhang A Q. Recent research and development of ARV in SIA. In: Proceedings of the 6th International Symposium on Underwater Technology. 2009
5 Zeng J B, Li S, Wang Y, et al. The application of polar-ARV in the fourth Chinese national arctic expedition. In: Proceedings of the
OCEANS MTS/IEEE KONA Conference & Exhibition, 2011. 1–5
[5] 封锡盛, 李一平, 徐红丽. 下一代海洋机器人——写在人类创造下潜深度世界记录 10912 米 50 周年之际. 机器人, 2011, 33: 113–118
本文整理自《科学通报术》期刊 2013年 第58卷 ，转载请备注论文作者，说明文章来源，并备注由“智慧海洋公众交流平台”微信公众号整理。
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