水下機器人測試及相關機構介紹

陳元杰，葛銳，孔新雄，趙群

(浙江省計量科學研究院，浙江杭州310013)

0 引言

隨著“蛟龍號”載人潛器的入水及其7000 m 下潛深度的完成，海洋尤其是深海探測不斷地進入普通大眾的視野，也越來越激起人們對海洋、對海底探測的興趣。海洋是人類生命的起源，覆蓋了地球近四分之三的面積，海洋的各類生物、礦物、油氣資源也必將成為未來人類發展的源泉，因此，海洋、海底探測刻不容緩。如果把“蛟龍號”比作外空探測的載人飛船，那么，水下機器人就是外空探測的衛星，是海洋探測不可或缺的重要工具。

當前水下機器人的種類很多，從是否載人來分，可以分為載人潛器和無人潛器兩大類［1-2］，“蛟龍號”就是一種載人潛器，無人潛器就是常規意義上的水下機器人。而水下機器人根據是否有母纜與母船連接，可分為有纜水下機器人或稱為遙控型水下機器人(Remote Operated Vehicle，簡稱ROV)及無纜水下機器人或稱為自治型水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV)。此外，按使用的目的分，可分為探測型水下機器人以及作業型水下機器人［3-5］。為驗證水下機器人的性能及質量水平，必須對水下機器人進行相應的性能測試和試驗，以驗證是否滿足預期設計要求。對水下機器人性能的測試和試驗有利于促進水下機器人技術的發展，推進海洋探測水平的進步。

1 水下機器人測試的主要內容

目前國內水下機器人測試還沒有相應的標準及規范，國外對水下機器人的測試也是各個公司、研究所根據內部的測試需求而制定。從水下機器人的組成及其相應的功能來看，水下機器人測試主要包含以下幾個部分［6-8］:

1.1 水下機器人總成測試

水下機器人總成測試為水下機器人綜合性能測試，主要包括整機尺寸，負載能力測試，正向、橫向、垂直方向推力測試，最高航速測試，最大能耗測試等幾方面內容。其中，整機尺寸通過相應的長度計量器具進行測量得到;負載能力測試通過在水下機器人上方加特定重量的負載，得到使其能浮在水面上的最大重量;各個方向的推力測試，可通過在水下機器人各個方向施加一束縛力(拉力傳感器)，將水下機器人向各個方向全力推進，即可得到正向、橫向、垂直方向的最大推進力;最高航速測試通過采用測速儀或在特定距離計時的方法測得;最大能耗測試則在水下機器人全力推進及所安裝的所有耗能附件全開的情況下，對其輸入功耗進行測試，得到最大功耗［9］。

1.2 水下機器人螺旋槳推進器測試［10］

推進器是水下機器人的動力源，推進器的功能決定了水下機器人在水下的活動能力。對螺旋槳推進器的性能測試包括槳葉外徑測量、轉速測試、系樁推力測試等幾方面。實際測試時，測試得到推進器轉速-推力-功耗曲線即可。

1.3 水下機器人機械手性能測試

作業型水下機器人常帶有機械手對水下目標物進行作業，因此必須對水下機器人配備的機械手進行測試。機械手的測試包括最大伸距、全伸長持重、運動范圍、手爪開度等幾方面。其中，全伸長持重通過將機械手持重測試用特定砝碼后，伸長到最長距離即可;機械手運動范圍通過將機械手上下、左右運動，得到其最大運動尺度［11-12］。

1.4 其他性能測試

此外，還需對水下機器人的觀察距離、攝像頭安裝云臺的運動角、補償器的高壓倉功能、最大水深耐壓能力等進行測試，以得到完整的水下機器人的性能參數。

2 水下機器人測試國內相關機構介紹

水下機器人性能測試主要在測試水池系統中進行，在水池中進行水下機器人動力、搭載能力、功耗、航速等性能的測試。目前國內的測試水池系統基本上都和船舶模型的水動力測試共用，很少有專門為水下機器人及其核心部件測試用的測試系統，因而測試的代價很大。目前國內主要有以下幾個機構在開展水下機器人、船舶等各類水中運動體性能測試:

2.1 上海交通大學水下工程研究所

上海交通大學水下工程研究所主要進行水下作業技術與裝備、深海無人遙控潛水器、新概念水下機器人以及共性基礎性技術的研究。該實驗室擁有配套的深水實驗室，深海壓力環境模擬裝備體系，ROV 裝配車間和設計工作室，以及各種潛水器試驗平臺，是國內較少研制、測試水下機器人的機構之一。其深水實驗室中建有一個50 m×40 m×10 m 測試水池，水深可在0 ～10 m 范圍內調節，該水池可對水下機器人的整機航速、推力、功率等性能進行測試。其深海壓力環境模擬裝備體系可模擬4000 m 水深的海洋壓力環境，可對水下機器人關鍵部件在深海壓力下的抗壓能力進行測試。水下機器人的其他一些性能測試在ROV 裝配車間及設計工作室中進行［13-14］。測試實驗室如圖1所示。

圖1 上海交通大學海洋工程國家重點實驗室船舶測試系統

2.2 中國科學院沈陽自動化研究所水下機器人研究室

中科院沈陽自動化所是國內外有影響的研究與開發水下機器人并形成產品的科研實體之一，我國第一臺有纜遙控潛水器和第一臺無纜自治水下機器人都是在這里誕生的。其水下機器人研究室(現為海洋技術裝備研究室)主要從事水下機器人的研究、技術開發、生產和示范應用，具備齊全、先進的水下機器人試驗設備和條件，擁有長20 m，寬12 m，深9 m 的試驗水池以及相配套的各種調試、吊裝設備和儀器儀表、環境試驗裝置等，可進行各種水下機器人整機調試和功能試驗［15-16］。此外，該實驗室對水下作業型機器人搭載的機械手也有一定的研制及測試能力，具有水下七功能機械手的研究測試能力。

圖2 為沈陽自動化所科研人員進行水下機器人測試相關實驗。

圖2 沈陽自動化所水下機器人測試實驗

2.3 哈爾濱工程大學智能水下機器人國防重點實驗室

哈爾濱工程大學智能水下機器人國防重點實驗室擁有一座設施配套、技術先進、功能齊全的深水試驗水池，搭建了設施完善、技術先進的測試研究平臺。該實驗室在水下機器人的系統設計與集成、智能規劃與控制、水下導航與定位、水下目標的探測與識別等方面的研究促進了我國水下機器人技術的發展。其深水試驗系統如圖3所示，水池長50 m，寬30 m，水深10 m［17］。該實驗室可在該深水試驗系統的基礎上進行水下機器人整機性能測試，包括航速、推力、定位等，以及螺旋槳推進器敞水性能測試等水下機器人相關性能測試，處于國內領先水平。

圖3 智能水下機器人國防重點實驗室水下機器人試驗場地

2.4 浙江大學海洋裝備試驗技術浙江省工程實驗室

浙江大學海洋裝備試驗技術浙江省工程實驗室是主要定位為水下機器人性能測試的實驗室。該實驗室主要包括4 個檢測科室，分別為:①觀察型遙控水下機器人運動檢測室;②觀察型遙控水下機器人配件檢測室;③水下機械手檢測室;④水下聲光傳感與通訊檢測室。目前該實驗室尚處于建設當中，相關硬件設施全部到位，并已起草相關水下機器人測試的標準，上報國家相關部門批準，是國內專注于水下機器人性能相關測試較為領先的機構。該機構擁有長寬深為20 m×5 m×4.5 m 的水下機器人測試小型水池，并在該水池附近布置相應的測速、測力、測功率、螺旋槳測試、機械臂性能測試的相應傳感器及裝置，能對水下機器人性能進行一站式的測試，較好地完成水下機器人性能的測試要求。如圖4 為其測試現場。

圖4 海洋裝備試驗技術浙江省工程實驗室水下機器人測試現場

此外，國內還有一些擁有類似測試系統的機構，如上海船舶運輸科學研究所、中國船舶及海洋工程設計研究院、華中科技大學船舶與海洋工程學院等。雖然目前已有像沈陽自動化所、上海交通大學水下工程研究所［18］、浙江大學海洋裝備試驗技術浙江省工程實驗室等機構開展針對水下機器人的測試、試驗研究，但是大多相關機構還是以測試海洋船舶相關性能為主，很少或未開展水下機器人性能測試的研究，而已開展水下機器人測試的機構，很多也是由船舶測試系統改造過來，設備較為大型，測試代價較高。

3 水下機器人測試國外相關機構介紹

國內的一些水中運動體測試系統由于主要測試對象為船舶及其配套設備，而不是專門為水下機器人性能測試搭建的(除個別外)，其規模都很大，因而測試的代價較高。國外有一些小型的專門用于水下機器人及其配件性能測試的系統，這些測試系統為國外水下機器人技術的發展給予了強有力的支持。

3.1 美國麻省理工大學海洋工程系水池試驗系統［19－20］

該系統主要用來對水下機器人性能進行測試研究，擁有隨機波浪制造機、激光感應裝置和數據采集系統等設備，按照水下機器人測試所需要的條件進行設計，能較好地進行水下機器人全性能參數測試。如圖5所示為其利用拖曳系統對水下“魚形”機器人進行相關測試，驗證其相關性能。

圖5 麻省理工大學海洋工程系水下機器人測試系統

3.2 美國伍茲霍爾海洋研究所海洋應用物理與工程研究室

伍茲霍爾海洋研究所海洋應用物理與工程研究室主要開展海洋裝備、水下潛器、海底觀測系統等的研究，國際上享有盛名的載人水下機器人“阿爾文號”就是該機構設計的。此外該機構還設計有遙控型水下機器人“JASON”，自治型水下機器人“SENTRY”等水下機器人。該機構由于臨近海邊，并且擁有較為成熟的水下機器人測試技術，其測試、試驗一般在海洋中進行［21］。如圖6 為該研究所的工程師對作業型水下機器人JASON 號進行的相關性能測試。測試項目包括整機性能測試、俯仰及船艏角度測試、推進器性能測試、機械手作業能力測試、動力定位能力測試、攝像機觀測能力測試、通訊及相應能力測試等內容。

圖6 美國伍茲霍爾海洋研究所JASON 號水下機器人性能測試

3.3 英國Saab Seaeye 公司

英國Saab Seaeye 公司是國際頂尖的遙控型水下機器人制造商，其研制有10 款左右針對不同應用需求的遙控型水下機器人，從小型的觀測性水下機器人Falcon到大型綜合型作業型水下機器人Jaguar，目前有500 余臺水下機器人銷往世界各地。Saab Seaeye 公司對于水下機器人的研發、生產制造、性能測試等有一套較為成熟的體系，是當今水下機器人商業化的典范。Saab Seaeye 公司的工廠位于英國漢普郡的法漢姆，該工廠擁有頂尖的水下機器人設計實驗室、生產車間和室內水下機器人測試水池系統［22-23］。在水下無刷電機推進器、Led 水下機器人探照燈、水下機器人云臺、水下機器人動力控制系統方面都有較為成熟的研制技術和測試手段，保證了其在該領域的領先水平。如圖7 為該公司在法漢姆的室內測試水池，在該水池中可進行水下機器人多項關鍵性能的測試。

圖7 Saab Seaeye 公司水下機器人測試系統

從上述水下機器人測試國外現狀可知，凡是擁有先進水下機器人研制技術的機構，都有一套與之匹配的專門的測試系統，來不斷完善水下機器人的性能。然而，相比于國外先進的水下機器人制造及測試技術，國內水下機器人的測試研究處于起步階段，除上述少數研究機構外，更多的是關注于船舶相關性能的測試，而對于海洋探測的先驅“水下機器人”的研究和測試，國外的研究機構更具有針對性，并具有成熟的產品和測試手段，這是值得國內水下機器人研究機構學習和提高的。

4 結語

綜上所述，隨著人們對海洋領域的日益關注以及海洋技術的發展，水下機器人將在海洋水下探測、作業、援救中發揮越來越大的作用。而水下機器人測試技術作為水下機器人性能的保障，也必然成為水下機器人設計、試驗、改造中至關重要的一個環節。完善的測試體系、科學的測試方法、良好的測試條件是保證水下機器人出廠、正常進行水下工作的前提。

雖然目前國內的水下機器人性能及其性能測試技術還不如國外的一些專門的研究所與高科技公司，但是從水下機器人測試的內容與設備上看已經較為接近，也有如浙江大學海洋裝備試驗技術浙江省工程實驗室開始起草相應的水下機器人測試國家標準。在國家重視海洋，支持海洋經濟、海洋工程技術發展的背景下，國內的水下機器人測試技術將會越來越與國際接軌。

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