海洋论坛▏极地自主水下机器人研究现状和关键技术

二十一世纪是海洋的世纪，随着温室效应的加剧，极地冰雪融化加速，极地地区在地缘战略、自然资源、航运及科研方面的价值日益凸显，越来越成为国际争夺的重要目标和新的战略要地，且发展极地与我国的战略利益和长远发展密切相关。随着极地科考规模的发展和目标的提升，在科考手段中引入高技术装备如水下潜水器是比较好的方式。

 

水下潜水器根据是否载人分为载人潜水器和无人潜水器两类，无人潜水器按照与水面系统间联系方式的不同又分为无缆式和有缆式，自主式水下机器人(AUV)属于无缆式，自身拥有动力能源和智能控制系统，能够自身进行决策与控制，完成相关工作，是将人工智能、探测识别、信息融合、智能控制、系统集成等多方面的技术集中应用的水下载体。

 

国际上用于极地研究的潜器以无人为主，而我国尚未成熟开展专用于极地环境的AUV，本文对极地AUV的发展现状及我国研究发展中需解决的关键技术和发展方向进行总结。

 

 

一、国内外极地AUV研究现状

 

国外发达国家早在20世纪70年代就开始了极地AUV的研究与开发，80年代末开始无人潜水器极地科学研究应用，主要有美国、英国、俄罗斯、加拿大、挪威和日本等，其中美国最为活跃，表1列出了国外主要极地AUV的性能比较。

 

表1 国外主要极地AUV

 

ALTEX AUV是美国为了对北冰洋地区进行全面考察而设计的一种具有长距离、长时间、大范围作业能力的自主无人潜器，安装了专门解决冰下通信问题的穿冰浮标通信系统，该通信系统可以将AUV收集到的数据通过卫星发送给考察人员，同时还可以获得GPS定位信息，用于修正AUV导航系统的累积误差；1998年，作为北冰洋表面热平衡项目研究中的一部分工作，美国利用REMUS AUV对极地水下湍流、盐度和热流进行测量，研究水下对流过程。

 

图1 ALTEX AUV

图2 REMUS AUV

 

英国南安普顿国家海洋地理中心开发了AUTOSUB系列AUV，主要用于海洋科学研究和军事应用。2001年，AndrewS.Brierley等人使用AUTOSUB-ⅡAUV研究了南极冰下磷虾的分布情况以及调查船对其活动的影响；2005年，Millard等人在南极利用AUTOSUB-ⅡAUV对芬布尔冰架下复杂的水文环境进行观察，得出了需要重新评估冰架熔化对淡水平衡影响的结论；2009年，AUTOSUB-ⅢAUV被布置在Pine IslandGlacier冰架下，对冰架下的海床、冰架下表面以及热流上升高度进行调查。

 

图3 AUTOSUB-Ⅱ AUV

图4 AUTOSUB-Ⅲ AUV

 

加拿大在1996年利用Theseus AUV成功地在Ellwsmere岛的北部(北纬85.5˚)坚冰层，铺设了长达175km的光缆。此外，ISE公司为加拿大自然资源部设计了Arctic Explore AUV，以用于北极冰架下的海底地形测绘，2010年在海底完成了连续10天的水下测绘作业，航程超过1000公里，2011年在北纬88.5°区域完成了水下3000m、航程达到115km的科研调查任务。

 

图5 Theseus AUV

图6 ARCTIC EXPLORER AUV

 

在国内，中科院沈阳自动化所自主研制出了潜深100m的“北极ARV”自主/遥控水下机器人，在2008年至2014年间，分别参加了中国第三次、第四次、第六次北极科考。在北极科考期间，“北极ARV”自主完成对指定海冰区的连续观测，通过其搭载的多种传感器，获取了100m×100m海冰区域的冰下光透射辐照度、冰底形态等观测数据。

 

图7 极地ARV

 

二、极地AUV关键技术

 

国内AUV在下潜深度、续航里程以及作业能力方面取得了重要进展，已研制出多种类型的实用化AUV，但极地低温环境下的AUV技术还十分薄弱。总之，在极地AUV总体设计、动力电池、冰下声学定位与通信、布放回收、定位导航等关键技术方面与国外有一定差距。

 

结合极地高纬度、大范围冰盖、极低温、复杂水声环境和极地科考航程远载荷多的任务需求，提出了我国发展极地AUV的关键技术和发展方向。主要包括：高效的冰下布放回收、冰下复杂水声环境通信、高纬度环境高精度导航定位、极低温环境电池高放电性能和适应极地环境的总体优化设计。

 

⒈高效的冰下布放回收

 

极地的大范围冰盖环境对于AUV的高效回收有极大的制约。1996年加拿大TheseusAUV在北极圈内采用简易的吊放方式进行了AUV释放与回收，快速的完成了铺设光缆的任务；2001年AutosubAUV在威德尔海域采用台架系统进行释放与回收；2011年Remus-100AUV采用浮箱式收放系统，在1m×2m的冰洞里，完成了冰下回收试验。

 

图8 Remus-100布放回收

 

对于在长期冰站附近进行作业的极地AUV，其布放回收需要研究在冰面快速开冰洞的方法，并根据AUV形状选择合适的布放方式，在回收时要经过精确控制结合高精度定位导航回到布放点，完成回收工作。

 

⒉冰下复杂水声环境通信

 

北极地区地理位置独特、气候寒冷，北冰洋的大部分区域终年被海冰覆盖，形成了独特的水声环境，由于冰盖的作用，造成冰下噪声剧烈起伏以及强混响效应，形成了北冰洋独有的半波导声道。

 

因此，需要尽快收集水声数据资料，掌握北极地区海域水声环境规律及机理，建立北极背景场、声信道模型，利用北极海洋环境水声效应，开展北极水声环境适配处理理论与方法研究，提高极地AUV声呐装备环境适应性，提升探测、通信、导航技术水平。

 

⒊高纬度环境高精度导航定位

 

导航定位系统的核心技术在于给水下机器人提供实时的三维的定位信息、速度信息、加速度信息、航向姿态信息，如果没有这些导航信息潜水器几乎不可能完成高精度作业及安全返航。极区导航难题主要包括三点：难以使用GPS进行校正、随着纬度升高根据自身内部设备测得航向或根据外部条件测得航向的航向传感器精度大幅度降低、极点附近难以确定航向。

 

综合上述，需要考虑研究适合AUV使用的极区惯性导航系统机械编排，并在此基础上设计DVL辅助惯性导航技术方案，尽量减少导航系统对于声学定位系统校正的依赖，扩展潜水器航行范围。

 

⒋极地低温环境电池放电性能

 

某研究团队用三元材料（NCM）为正极、人造石墨与软碳为负极自制20Ah锂离子电池进行电化学性能测试，通过放电测试，在环境温度低于-20℃时，放电容量为25℃放电容量的88%左右，说明三元材料锂电池具有较好的低温适应性；另外的研究团队测试磷酸铁锂电池和三元材料锂离子电池的放电性能，当环境温度为-10℃时，磷酸铁锂放电容量为25℃环境下94.01%，三元材料锂电池容量为95.33%，三元材料低温性能要稍优越于磷酸铁锂电池。

 

作为极地AUV的唯一动力来源，要求电池系统有较高的能量密度和优良的低温放电性能。目前应重点考虑三元锂电池在低温环境的应用，并设计低温热管理系统，改善电池外部工作环境，使AUV在极地环境中有充足能源。

 

⒌极地AUV总体优化设计

 

极地科学考察受到极地环境和季节的限制，通常考察周期短，而作业任务多、跨度大，且科考涉及众多的学科，要使用各种各样的传感器和仪器设备，要同时兼顾在极地特殊环境工作的高效性和可靠性。

 

在进行总体设计时，可以采用模块化设计技术，实现可重组性、多功能性和易维护性，开展多样化载荷与AUV系统的适配性研究，方便根据具体的考察作业任务灵活更换考察仪器设备和传感器；结合实际开冰洞条件，进行高效布放回收系统的设计，研究适用于大范围冰盖环境下AUV的快速可靠布放回收方法；根据AUV在近冰层情况下的水动力预报研究，进行AUV水动力布局优化与总布置设计。

 

三、总结

 

国外在极地AUV方面的研究和发展非常迅速，我国目前在此领域技术积累较少。在进行关键技术研究时，需结合极地特殊环境进行特殊设计，极地低温环境影响AUV电池低温放电性能，极地大范围冰盖环境影响AUV的安全高效布放回收，极地高纬度环境影响AUV的高精度导航定位，极地冰下复杂水声环境影响AUV的水声通信，极地多重环境因素要求对AUV进行特殊的水动力布局优化与总体设计。

 

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文章来源：《溪流之海洋人生》