国外深海机器人技术发展现状及对我国的启示

左立标

(长沙矿山研究院海洋采矿研究所, 湖南长沙 410012)

国外深海机器人技术发展现状及对我国的启示

左立标

(长沙矿山研究院海洋采矿研究所, 湖南长沙 410012)

回顾了国外深海机器人的发展历程和现状,对目前国外现有的机器人的工作性能和关键技术的发展进行了总结分析,在此基础上,探讨了我国深海机器人技术发展的方向,为未来深海机器人技术发展提供参考。

深海机器人;技术发展;大洋勘查

深海勘查是人类继陆地调查和太空遥感遥测之后的第三个对地观测平台,对大洋金属矿产资源勘查、地球生命起源以及极端生态系统研究具有重要作用。尽管人类已可遨游太空,但对近在咫尺的大洋了解甚少,其主要原因是缺乏进行深海勘查的有效工具,即深海机器人。从 1950年代以来,世界发达国家均在努力发展深海机器人技术,目前已经取得了重大进展。然而,我国的深海机器人技术远远落后于发达国家,严重制约了深海勘查技术的发展。如何尽快缩短国内外在这一领域的差距,已成为困扰我国海洋技术专家的主要难题[1]。

1 国外深海机器人技术发展历程

深海机器人 1950年代出现以来,历经 50多年,取得了令人瞩目的发展[2～8],先后出现了载人潜水器 (MOV)、有缆遥控潜水器 (ROV)和无缆自治潜水器(AUV)[6]。近年来,ROV与 AUV复合潜水器(ARV)以及有缆遥控海底作业车相继研制成功。传感器、控制系统、通讯和机械手方面的进展使ROV的性能得到很大提高和扩展,在民用领域中大量取代了MOV。这些技术进步还有可能使 AUV能够完成复杂和精确测量与取样作业。

1959年,美国核潜艇 Nautilus和 Skate首次穿过北极。美国海军还于 1958年购买了瑞士和意大利私人公司于 1940年代首次设计制造的世界最深的潜水器 Trieste(服役到 1982年),1960年 Trieste下潜到世界海洋最深点马里亚纳海沟 11000 m处。1953年首次开发出 ROV雏形 Poodle号,随后美国海军实验室和政府承包商开发出第一台实用 ROV,用于从海底回收鱼雷,1966年从西班牙帕洛马外海回收核弹。

1960和 1970年代,美国在水下机器人技术方面是全球最杰出的。军用和民用水下机器人开发分离,军用着重反潜作战需求。到 1970年代初,美国海军还没有制造 MOV,民用部门的兴趣也大减。1970年代末,实际上几乎所有的MOV被 ROV所取代,只有少数用于必须直接观测的海洋科学调查,如Alvin号进行了洋中脊热液口和海底观测等探测工作,并取得了一些重大发现。这一时期,ROV技术则从海军计划进入到工业部门,并开发出多种系统,以满足海上石油开采和其它用户不断增长的需求。全世界许多作业型 ROV处于工作状态,并以每年10台以上的速度增长。美国强大的水下机器人作业能力主要表现在海军方面,随着世界大战的结束,海军更广泛地向科学研究者开放MOV,目前海军拥有的 Turtle和 Sea-Cliff号 (6000 m)MOV每年有 60 d可用于民用目的,Alvin和 Medea-Jason号 MOV已完全用于民用科学调查。

1970年代,AUV开始得到发展,第一台深潜AUV是法国的 Epaulard号,装备有摄像机,用声学数据传输器与海面船通讯,完成了 500多次下潜(许多次达到 6000 m)。发展 AUV是美国政府计划的重点,美国华盛顿大学 2台 AUV(Spurv和 Uars号)成功地搜集了海洋学数据 (包括从冰层以下)。

1980年代,美国继续关注反潜作战,海军拨款支持几种军用 AUV的开发,而商业用户的注意力则转向工作能力强、成本低和没有人员生命危险的ROV。ROV在水下作业方面占主导地位。1980年代初,出现大量各种专用小型 ROV(重量小于 50 kg)。为了满足科学和军事要求,法、日、俄、美分别建造了 6500 m潜深的MOV,至今还在运行:美国海军的 Sea-Cliff号是 1980年代开发的 5台较大潜深的MOV之一;法国海洋开发研究院建造了 6000 m潜深的 Nautile号;俄罗斯科学院购买了 2台芬兰制造的 M IR号;日本 1989年下水了 Shinkai号,可潜入 6500 m,是目前世界上潜深最大的 MOV。1980年代建造的几台 AUV是试验机型。1988年开始的美国海军计划是验证 AUV实现海军特殊使命技术条件,目标包括提升水下作战特别是布雷和绘制地形图功能的关键技术,重点是燃料电池、声学通讯和更精确的导航系统。

1990年代,ROV因在海上作业的利用率和可靠性不断提高而被广泛使用。ROV及其维护一般由海洋石油服务机构而不是石油公司提供。日本海洋科学技术中心执行一项使用机器人的海洋探测国家计划,总体目标为了解地壳构造和探测海底资源,研制成功 11000 m潜深的 Kaiko号 ROV,于 1995年 3月潜入到世界海洋最深处马里亚纳海沟。1990年代AUV在科学调查方面的应用再次得到关注。初期马萨诸塞工业大学开发出 6台 Odyssey,能以 1.5 m/s速度航行 6 h,航程达 6 km,并搬移 160 kg物品。ABE号 AUV于 1994年首次进行科学调查,能以 0.75 m/s速度在 5000 m水下航行 34 h,航程达 5 km,并搬移 680 kg物品。

1970年代以来,其它发达国家在机器人许多技术方面出现领先。如日本的 Kaiko号 ROV,是当今世界上唯一全海深水下机器人,共下潜 296次,于2003年 5月丢失。

前苏联开发出 20多台水下机器人,大部分是军用产品,夫拉迪沃斯托克海洋研究所已经开发出小型快速高能力 6000 m AUV,用于深海科学调查和回收作业。现在,俄罗斯继续进行军工技术的销售。俄罗斯和乌克兰具有熟练的劳动力和精致的试验装置,生产了 MOV、ROV和 AUV,其中源于太空船的一些先进壳体材料是强项。

法国在导航和控制局域传感器数据融合方面很有可能居于世界领先地位。

英国强调先进传感器和提供用于调查海洋油气工业的 AUV和 ROV。欧盟每年投资 1百万美元资助Autosub计划设计 AUV,目标是建立和验证一种机器人概念,并制造 2台 AUV:Dolphin可横过北大西洋,进行测深和取样,在海面漂移过程中通过卫星传输数据;Doggie能覆盖海底和从高频设备获得高分辨率数据,支持海底剖面、磁力仪和化学传感器。现在,Autosub计划集中在技术开发,而不是整机集成。挪威与英国一样,面向北海监视和检查深水管线的需要,还对爱琴海中来自俄罗斯废弃核潜艇污染监测予以高度重视。

加拿大海岸线长,一年有 2～3个月被冰封着。三军支持水下平台的开发,重点在继续开发 AUV的应用方面,在温哥华、英国哥伦比亚不冻海湾区域设有良好的机器人试验场。

为了海洋勘查的需要,开发低成本的 11000 m潜器被确定为美国最近优先考虑的问题。美国伍兹霍尔海洋研究所承担 (2003～2006年)提出了一种微光缆控制的具备可转换 ROV和AUV功能的复合水下机器人 (HRV)。系统由铠装光缆、铠装光缆压载器、潜器本体、沉降锚定组件及微光缆 (直径为0.8 mm,断裂强度 45.4 kg,水中重量 0.454 kg/km)组成。潜器用地质绞车铠装光缆和压载器下放,约在 1000 m深度放出压载器,利用沉降锚定组件自由降落到海底,降落过程中从分别装在压载器和沉降锚定组件上两个小筒中放出微光缆,一旦 HROV到达海底,便脱离沉降锚固组件,自主航行达 20 km,进行探测工作。这时的微光缆是从装在本体上的第3个筒内放出的,可以搭载沉积物推压取芯、热液流测量 (用机械手插入海底沉积物内的探针,记录从地球内部涌出的热液流量)、地质构造 /地球化学传感器(沉积物内孔隙压力、不同温度下流体特性和海洋基础化学)、小型取芯钻具、小型抽吸深海生物取样器、捕捉网和存储与转运传统的生物样品箱、海水取样、高分辨率海底地形精确测绘声纳、光学照相和电视摄像等装置。HROV具有如下特殊功能:潜入位于海沟的地球表面最大深度区域;适于冰层下作业,解决了用破冰船工作时船不能保持住站位,或者像传统 ROV或深拖作业那样跟随准确的航迹线工作的难题;对海洋突发活动快速科学调查支援;进入变形、断裂扩展环境中大洋岩石圈绘制地形图和取样。HROV具有体积小、重量轻、机动性好、携带方便、无需庞大的水面支持系统的特点,极适合复杂海底环境的调查。法国自动控制公司与海洋开发研究院合作研发一种无人无缆下潜和上浮、水下定点后放出有缆 ROV进行观测与作业的复合水下机器人,成为最具商业应用前景的一类水下机器人。

此外,还出现了 ROV与行走底盘组合的底行机器人,根据需要搭载探测传感器、取样器、工作机具,可用作海底移动观测站和各种机构试验平台,进行海底埋设探测仪器、底质力学特性原位动态测试。

表1中列出了目前几种代表性的深海 ROV。从表中可以看出,深海机器人主要制造商还是西方发达国家,主要原因是深海机器人是综合科技能力的体现,需要多学科多领域技术的应用,而不仅仅是某一方面的技术发展可以解决的问题。表1中还集中对 ROV的技术规格及其搭载的设备与传感器进行了比较。目前,我国这方面的专用仪器大部分还依赖进口。

表1 代表性深水 ROV

2 不同类型深海机器人的特点及技术发展要点

表2对现有深海机器人的特点和能力进行了比较,为不同勘查目标选择相应的深海机器人工作方法提供参考。3种深海机器人的工作能力有较大差距,适用于不同的工作条件。

表3对目前深海机器人关键技术发展的状况及未来的改进方向进行了分析。

3 我国深海机器人技术发展的方向

从以上国外深海机器人发展情况分析,我国与国外仍有较大的差距,未来的工作方向主要在以下几个方面。

(1)制定深海勘查工作目标及深海机器人整体发展规划。我国大洋勘查开发技术发展初期没有制定具有整体性和系统性的规划,在项目的设立上存在一定的漏洞。如已经完成的热液保真采样器和海底异常环境探测系统由于缺少深海 ROV,无法找到热液喷口,以致发挥不了作用,也无法检测该设备的功能是否具备。深海机器人涉及多个方面的基础研究和技术,研发周期较长,应该在科学论证的基础上,针对未来十年或更长时间的目标,制定循序渐进的发展计划,建立项目数据库,分阶段有步骤启动技术研发项目[9]。

表2 现有深海机器人能力比较

表3 深海机器人技术发展要点

(2)将已有的深海机器人尽快工程化,开发不同用途的专门工程 ROV,满足勘查技术需求。目前,深海工程应用越来越需要机器人,尽管我国已开发了多种,但一直处在试验阶段,或由于使用过于复杂而在真正的勘查过程中无法应用。如已经研发成功的 6000 m水下自治机器人尚不能满足勘查要求,而国外已经形成了多种水下机器人系列,在实际海洋勘查中得到广泛应用,如海底铺缆机器人、深海长时观测自主机器人等。

(3)深海机器人基础研究领域研发能力尚待提高。我国目前深海机器人发展缓慢的一个主要原因是在基础研究领域研发能力不足,如深海机器人必用的深水浮力材料,水下导航定位系统以及声学装备中关键的换能器和图像生成软件等严重依赖进口,国内还不能生产或产品性能不能满足要求。

(4)船舶支持系统配套需要完善。现有的船舶支持系统基本具备,但应根据目前和将来一段时期内可能的设备制定规划,分层次考虑,配备可行的船舶支持系统。

(5)需要建立专业的深海机器人技术研发队伍。深海机器人技术的发展,需要一流的技术研发队伍,与国外相比,我国专业队伍有相当的差距。首先是整体科技实力制约了技术的提高。《国际竞争力报告》中公布,我国的科技竞争力从 1998年的第13位,降到 1999年的第 25位,再降到 2000年的第28位;其次没有建立专门的国家级海洋技术发展研究院,目前的科技人员来自多个部门,缺乏统一的组织和领导,往往追求短期效益,对基础领域的研究缺乏兴趣;三是专业技术队伍不稳定。我国该领域的科研精英不多,科研队伍数量不足,特别是我国现行的项目管理人才的管理模式严重制约了技术发展,注重项目科研,而不关心应用,造成开发的设备大多放在实验室供人参观,而不是在海上大显身手。

[1] 北京先驱公司.大洋勘查技术发展的战略研究报告[R].北京:北京先驱公司,2005.

[2] 许肖梅.海洋技术概论[M].北京:科学出版社,2000.

[3] Sherman J,Davis R E,OwensW B,Valdes J.The autonomous underwater glider’Spray[J].IEEE J.Oceanic Eng.,2001,26:437-446.

[4] Eriksen C C,Osse T J,Light R D,et al.A longrange autonomous under water Vehicle for oceanographic research[J].IEEE J.Oceanic Eng.,2001,26:424-436.

[5] Webb D C,Simonetti P J,Jones C P.An underwater glider propelled by environmental energy[J].IEEE J.Oceanic Eng.,2001,26:447-452.

[6] 蒋新松,封锡盛,王棣棠.水下机器人[M].沈阳:辽宁科学技术出版社,2000.

[7] 高国富,谢少荣,罗 均.机器人传感器及其应用 [M].北京:化学工业出版社,2004.

[8] 戴增明.欧美自主潜航器及技术发展[M].北京:国防科技出版社,2004.

[9] 吴自军,等.刍议中国国际深海资源开发中长期发展战略[Z].国际海底开发动态,2004,(1).

2011-08-10)

左立标 (1964-),男,工程师,主要从事深海技术及装备研发,Email:titin@126.com。