國外深海機器人技術發展現狀及對我國的啟示

左立標

(長沙礦山研究院海洋采礦研究所, 湖南長沙 410012)

國外深海機器人技術發展現狀及對我國的啟示

左立標

(長沙礦山研究院海洋采礦研究所, 湖南長沙 410012)

回顧了國外深海機器人的發展歷程和現狀,對目前國外現有的機器人的工作性能和關鍵技術的發展進行了總結分析,在此基礎上,探討了我國深海機器人技術發展的方向,為未來深海機器人技術發展提供參考。

深海機器人;技術發展;大洋勘查

深海勘查是人類繼陸地調查和太空遙感遙測之后的第三個對地觀測平臺,對大洋金屬礦產資源勘查、地球生命起源以及極端生態系統研究具有重要作用。盡管人類已可遨游太空,但對近在咫尺的大洋了解甚少,其主要原因是缺乏進行深海勘查的有效工具,即深海機器人。從 1950年代以來,世界發達國家均在努力發展深海機器人技術,目前已經取得了重大進展。然而,我國的深海機器人技術遠遠落后于發達國家,嚴重制約了深海勘查技術的發展。如何盡快縮短國內外在這一領域的差距,已成為困擾我國海洋技術專家的主要難題[1]。

1 國外深海機器人技術發展歷程

深海機器人 1950年代出現以來,歷經 50多年,取得了令人矚目的發展[2～8],先后出現了載人潛水器 (MOV)、有纜遙控潛水器 (ROV)和無纜自治潛水器(AUV)[6]。近年來,ROV與 AUV復合潛水器(ARV)以及有纜遙控海底作業車相繼研制成功。傳感器、控制系統、通訊和機械手方面的進展使ROV的性能得到很大提高和擴展,在民用領域中大量取代了MOV。這些技術進步還有可能使 AUV能夠完成復雜和精確測量與取樣作業。

1959年,美國核潛艇 Nautilus和 Skate首次穿過北極。美國海軍還于 1958年購買了瑞士和意大利私人公司于 1940年代首次設計制造的世界最深的潛水器 Trieste(服役到 1982年),1960年 Trieste下潛到世界海洋最深點馬里亞納海溝 11000 m處。1953年首次開發出 ROV雛形 Poodle號,隨后美國海軍實驗室和政府承包商開發出第一臺實用 ROV,用于從海底回收魚雷,1966年從西班牙帕洛馬外海回收核彈。

1960和 1970年代,美國在水下機器人技術方面是全球最杰出的。軍用和民用水下機器人開發分離,軍用著重反潛作戰需求。到 1970年代初,美國海軍還沒有制造 MOV,民用部門的興趣也大減。1970年代末,實際上幾乎所有的MOV被 ROV所取代,只有少數用于必須直接觀測的海洋科學調查,如Alvin號進行了洋中脊熱液口和海底觀測等探測工作,并取得了一些重大發現。這一時期,ROV技術則從海軍計劃進入到工業部門,并開發出多種系統,以滿足海上石油開采和其它用戶不斷增長的需求。全世界許多作業型 ROV處于工作狀態,并以每年10臺以上的速度增長。美國強大的水下機器人作業能力主要表現在海軍方面,隨著世界大戰的結束,海軍更廣泛地向科學研究者開放MOV,目前海軍擁有的 Turtle和 Sea-Cliff號 (6000 m)MOV每年有 60 d可用于民用目的,Alvin和 Medea-Jason號 MOV已完全用于民用科學調查。

1970年代,AUV開始得到發展,第一臺深潛AUV是法國的 Epaulard號,裝備有攝像機,用聲學數據傳輸器與海面船通訊,完成了 500多次下潛(許多次達到 6000 m)。發展 AUV是美國政府計劃的重點,美國華盛頓大學 2臺 AUV(Spurv和 Uars號)成功地搜集了海洋學數據 (包括從冰層以下)。

1980年代,美國繼續關注反潛作戰,海軍撥款支持幾種軍用 AUV的開發,而商業用戶的注意力則轉向工作能力強、成本低和沒有人員生命危險的ROV。ROV在水下作業方面占主導地位。1980年代初,出現大量各種專用小型 ROV(重量小于 50 kg)。為了滿足科學和軍事要求,法、日、俄、美分別建造了 6500 m潛深的MOV,至今還在運行:美國海軍的 Sea-Cliff號是 1980年代開發的 5臺較大潛深的MOV之一;法國海洋開發研究院建造了 6000 m潛深的 Nautile號;俄羅斯科學院購買了 2臺芬蘭制造的 M IR號;日本 1989年下水了 Shinkai號,可潛入 6500 m,是目前世界上潛深最大的 MOV。1980年代建造的幾臺 AUV是試驗機型。1988年開始的美國海軍計劃是驗證 AUV實現海軍特殊使命技術條件,目標包括提升水下作戰特別是布雷和繪制地形圖功能的關鍵技術,重點是燃料電池、聲學通訊和更精確的導航系統。

1990年代,ROV因在海上作業的利用率和可靠性不斷提高而被廣泛使用。ROV及其維護一般由海洋石油服務機構而不是石油公司提供。日本海洋科學技術中心執行一項使用機器人的海洋探測國家計劃,總體目標為了解地殼構造和探測海底資源,研制成功 11000 m潛深的 Kaiko號 ROV,于 1995年 3月潛入到世界海洋最深處馬里亞納海溝。1990年代AUV在科學調查方面的應用再次得到關注。初期馬薩諸塞工業大學開發出 6臺 Odyssey,能以 1.5 m/s速度航行 6 h,航程達 6 km,并搬移 160 kg物品。ABE號 AUV于 1994年首次進行科學調查,能以 0.75 m/s速度在 5000 m水下航行 34 h,航程達 5 km,并搬移 680 kg物品。

1970年代以來,其它發達國家在機器人許多技術方面出現領先。如日本的 Kaiko號 ROV,是當今世界上唯一全海深水下機器人,共下潛 296次,于2003年 5月丟失。

前蘇聯開發出 20多臺水下機器人,大部分是軍用產品,夫拉迪沃斯托克海洋研究所已經開發出小型快速高能力 6000 m AUV,用于深海科學調查和回收作業。現在,俄羅斯繼續進行軍工技術的銷售。俄羅斯和烏克蘭具有熟練的勞動力和精致的試驗裝置,生產了 MOV、ROV和 AUV,其中源于太空船的一些先進殼體材料是強項。

法國在導航和控制局域傳感器數據融合方面很有可能居于世界領先地位。

英國強調先進傳感器和提供用于調查海洋油氣工業的 AUV和 ROV。歐盟每年投資 1百萬美元資助Autosub計劃設計 AUV,目標是建立和驗證一種機器人概念,并制造 2臺 AUV:Dolphin可橫過北大西洋,進行測深和取樣,在海面漂移過程中通過衛星傳輸數據;Doggie能覆蓋海底和從高頻設備獲得高分辨率數據,支持海底剖面、磁力儀和化學傳感器。現在,Autosub計劃集中在技術開發,而不是整機集成。挪威與英國一樣,面向北海監視和檢查深水管線的需要,還對愛琴海中來自俄羅斯廢棄核潛艇污染監測予以高度重視。

加拿大海岸線長,一年有 2～3個月被冰封著。三軍支持水下平臺的開發,重點在繼續開發 AUV的應用方面,在溫哥華、英國哥倫比亞不凍海灣區域設有良好的機器人試驗場。

為了海洋勘查的需要,開發低成本的 11000 m潛器被確定為美國最近優先考慮的問題。美國伍茲霍爾海洋研究所承擔 (2003～2006年)提出了一種微光纜控制的具備可轉換 ROV和AUV功能的復合水下機器人 (HRV)。系統由鎧裝光纜、鎧裝光纜壓載器、潛器本體、沉降錨定組件及微光纜 (直徑為0.8 mm,斷裂強度 45.4 kg,水中重量 0.454 kg/km)組成。潛器用地質絞車鎧裝光纜和壓載器下放,約在 1000 m深度放出壓載器,利用沉降錨定組件自由降落到海底,降落過程中從分別裝在壓載器和沉降錨定組件上兩個小筒中放出微光纜,一旦 HROV到達海底,便脫離沉降錨固組件,自主航行達 20 km,進行探測工作。這時的微光纜是從裝在本體上的第3個筒內放出的,可以搭載沉積物推壓取芯、熱液流測量 (用機械手插入海底沉積物內的探針,記錄從地球內部涌出的熱液流量)、地質構造 /地球化學傳感器(沉積物內孔隙壓力、不同溫度下流體特性和海洋基礎化學)、小型取芯鉆具、小型抽吸深海生物取樣器、捕捉網和存儲與轉運傳統的生物樣品箱、海水取樣、高分辨率海底地形精確測繪聲納、光學照相和電視攝像等裝置。HROV具有如下特殊功能:潛入位于海溝的地球表面最大深度區域;適于冰層下作業,解決了用破冰船工作時船不能保持住站位,或者像傳統 ROV或深拖作業那樣跟隨準確的航跡線工作的難題;對海洋突發活動快速科學調查支援;進入變形、斷裂擴展環境中大洋巖石圈繪制地形圖和取樣。HROV具有體積小、重量輕、機動性好、攜帶方便、無需龐大的水面支持系統的特點,極適合復雜海底環境的調查。法國自動控制公司與海洋開發研究院合作研發一種無人無纜下潛和上浮、水下定點后放出有纜 ROV進行觀測與作業的復合水下機器人,成為最具商業應用前景的一類水下機器人。

此外,還出現了 ROV與行走底盤組合的底行機器人,根據需要搭載探測傳感器、取樣器、工作機具,可用作海底移動觀測站和各種機構試驗平臺,進行海底埋設探測儀器、底質力學特性原位動態測試。

表1中列出了目前幾種代表性的深海 ROV。從表中可以看出,深海機器人主要制造商還是西方發達國家,主要原因是深海機器人是綜合科技能力的體現,需要多學科多領域技術的應用,而不僅僅是某一方面的技術發展可以解決的問題。表1中還集中對 ROV的技術規格及其搭載的設備與傳感器進行了比較。目前,我國這方面的專用儀器大部分還依賴進口。

表1 代表性深水 ROV

2 不同類型深海機器人的特點及技術發展要點

表2對現有深海機器人的特點和能力進行了比較,為不同勘查目標選擇相應的深海機器人工作方法提供參考。3種深海機器人的工作能力有較大差距,適用于不同的工作條件。

表3對目前深海機器人關鍵技術發展的狀況及未來的改進方向進行了分析。

3 我國深海機器人技術發展的方向

從以上國外深海機器人發展情況分析,我國與國外仍有較大的差距,未來的工作方向主要在以下幾個方面。

(1)制定深海勘查工作目標及深海機器人整體發展規劃。我國大洋勘查開發技術發展初期沒有制定具有整體性和系統性的規劃,在項目的設立上存在一定的漏洞。如已經完成的熱液保真采樣器和海底異常環境探測系統由于缺少深海 ROV,無法找到熱液噴口,以致發揮不了作用,也無法檢測該設備的功能是否具備。深海機器人涉及多個方面的基礎研究和技術,研發周期較長,應該在科學論證的基礎上,針對未來十年或更長時間的目標,制定循序漸進的發展計劃,建立項目數據庫,分階段有步驟啟動技術研發項目[9]。

表2 現有深海機器人能力比較

表3 深海機器人技術發展要點

(2)將已有的深海機器人盡快工程化,開發不同用途的專門工程 ROV,滿足勘查技術需求。目前,深海工程應用越來越需要機器人,盡管我國已開發了多種,但一直處在試驗階段,或由于使用過于復雜而在真正的勘查過程中無法應用。如已經研發成功的 6000 m水下自治機器人尚不能滿足勘查要求,而國外已經形成了多種水下機器人系列,在實際海洋勘查中得到廣泛應用,如海底鋪纜機器人、深海長時觀測自主機器人等。

(3)深海機器人基礎研究領域研發能力尚待提高。我國目前深海機器人發展緩慢的一個主要原因是在基礎研究領域研發能力不足,如深海機器人必用的深水浮力材料,水下導航定位系統以及聲學裝備中關鍵的換能器和圖像生成軟件等嚴重依賴進口,國內還不能生產或產品性能不能滿足要求。

(4)船舶支持系統配套需要完善。現有的船舶支持系統基本具備,但應根據目前和將來一段時期內可能的設備制定規劃,分層次考慮,配備可行的船舶支持系統。

(5)需要建立專業的深海機器人技術研發隊伍。深海機器人技術的發展,需要一流的技術研發隊伍,與國外相比,我國專業隊伍有相當的差距。首先是整體科技實力制約了技術的提高。《國際競爭力報告》中公布,我國的科技競爭力從 1998年的第13位,降到 1999年的第 25位,再降到 2000年的第28位;其次沒有建立專門的國家級海洋技術發展研究院,目前的科技人員來自多個部門,缺乏統一的組織和領導,往往追求短期效益,對基礎領域的研究缺乏興趣;三是專業技術隊伍不穩定。我國該領域的科研精英不多,科研隊伍數量不足,特別是我國現行的項目管理人才的管理模式嚴重制約了技術發展,注重項目科研,而不關心應用,造成開發的設備大多放在實驗室供人參觀,而不是在海上大顯身手。

[1] 北京先驅公司.大洋勘查技術發展的戰略研究報告[R].北京:北京先驅公司,2005.

[2] 許肖梅.海洋技術概論[M].北京:科學出版社,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] 蔣新松,封錫盛,王棣棠.水下機器人[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2000.

[7] 高國富,謝少榮,羅 均.機器人傳感器及其應用 [M].北京:化學工業出版社,2004.

[8] 戴增明.歐美自主潛航器及技術發展[M].北京:國防科技出版社,2004.

[9] 吳自軍,等.芻議中國國際深海資源開發中長期發展戰略[Z].國際海底開發動態,2004,(1).

2011-08-10)

左立標 (1964-),男,工程師,主要從事深海技術及裝備研發,Email:titin@126.com。