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摘要：地球上海洋的总面积约为3.6亿平方公里，约占地球总表面积的71%，海洋中蕴含着丰富的资源。随着经济和科技的发展和陆地资源逐渐匮乏，海洋的价值也越来越被人类重视，海洋开发成为了当今各国发展的重要途经。现阶段，随着社会的发展，我国各项海洋技术都得到了大幅度的发展，水下机器人是海洋开发技术的重要技术之一。水下机器人可在被严重污染、危险程度高以及深水复杂等水域代替人在水下长时间作业，具有良好的工作能力，广泛应用于石油开发、水下工程、科学研究、海底地貌勘察、水下实施检查和军事等领域。
关键词：智能水下机器人;技术研究现状;未来展望
引言
水下机器人是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器。近年来，随着人们对海洋资源的开发和利用，由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具，同时水下机器人的应用领域也在不断扩大。目前水下机器人的应用领域已扩展到包括码头及码头桩基、桥梁水下部分检查、航道排障、港口作业、钻井平台水下结构检修、海洋石油工程、水环境和水下生物的观测研究与教学、海洋考察、水下目标观察、海上救助打捞、近海搜索等众多领域。
1水下机器人的定义和分类
水下机器人也称作无人水下潜水器，在应急救助中可以是潜水员的一种补充和有效的延伸手段，可以完成水下的一部分工作。水下机器人配备摄像头、声呐、机械手等先进设备，增强水下观察搜寻能力，并且在危险恶劣的水下环境、超极限深度作业可有效规避潜水员下水作业的各种风险，可以在水下代替人类完成某些复杂任务。水下机器人的分类方式有很多种，通常可以分为载人水下机器人（HOV），遥控机器人（ROV）和智能水下机器人（AUV）三类。
2国内外水下机器人研究现状
2.1载人水下机器人发展现状
载人水下机器人是由人员驾驶操作，配置生命支持和辅助系统，具备水下机动和作业能力的装备。该装备可运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、机械设备，快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效的勘探、科学考察和开发作业，是人类能实现开发深海、利用海洋的一项重要技术手段。
我国自主研发的载人水下机器人包括蛟龙号和深海勇士号等。蛟龙号载人潜水器是中国自行设计、自主集成研制的第一台作业型深海载人潜水器，在2012年6月，蛟龙号创造了下潜7062米的中国深潜载人记录。深海勇士号载人潜水器是中国第二台深海载人潜水器，它可以下潜到水下4500米处进行作业。
2.2遥控机器人发展现状
遥控机器人即无人有缆遥控潜水器（ROV），也称水下机器人，是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。ROV的优点在于动力充足，可以支撑复杂的探测设备和较大的作业机械用电，信息和数据的传递和交换快捷方便、数据量大。由于其操作、运行和控制等行为最终由水面功能强大的计算机、工作站，与操作 员通过人机交互的方式来进行，因而其总体决策能力和水平往往高于智能水下机器人，获得应用广泛。但脐带电缆是制约其行为的主要因素。
目前我国自主研发的ROV包括海马号、海星6000等。海马号是我国自主研制的首台4500米级深海遥控无人潜水器作业系统，最大下潜深度达到4502米，并完成了海底地震仪海底布放、水下布缆等多项任务。海星6000是我国首台自主研制成功的6000米级有缆遥控水下机器人装备，由中科院沈阳自动化研究所联合中科院海洋所等单位共同研制，最大下潜深度6001米，为我国ROV最大下潜深度。
2.3智能水下机器人发展现状
智能水下机器人包括包括AUV以及水下滑翔机（UG）等，具有一定的人工智能，可根据水下环境和作业任务自动完成轨迹规划、障碍回避、作业实施等。智能水下机器人的优点是没有脐带缆，活动范围不受空间限制，但是受到续航力和负载能力的强烈制约。
我国自20世纪80年代起即开展了无人潜水器技术的研究工作，历经30多年的发展，基本解决了无人潜水器涉及的基础技术问题，已经具备了研制各种用途的无人潜水器系统的能力。目前自主研发的智能水下机器人主要有潜龙一号、潜龙二号、海燕-II及海翼等。“潜龙一号”是由中科院沈阳自动化所联合中科院声学所、哈工程大学研制的6000米AUV，可以在水下工作中完成了探测海底地形地貌等一系列任务。“潜龙二号”是以中科院沈阳自动化所与多个研究所共同研制的水下机器人，可以用于多金属硫化物等深海矿产资源的勘探作业。“海燕-II”是由天津大学研发的一款水下滑翔机，针对于工作深度、航行速度等方面实现优化发展。“海翼”深海UG是中国科学院沈阳自动化研究所在2017年研制出的一款7000米级水下机器人。
3水下机器人关键技术研究概述
3.1智能控制技术
3.1.1智能控制
智能控制是一个由人工智能、自动控制和运筹学的交叉构成的交叉学科。近年来，智能控制技术成为水下機器人发展的一个重要技术。水下机器人难于控制的原因有几个方面，水下机器人在运行中收到海流等外界极不稳定环境因素的干扰，使其控制变得更加困难;水下机器人各项参数的高度的非线性的特点;水下机器人的水动力性能在不同的海洋环境下会改变较明显;海底水下机器人水动力系数难以测量，不能获得一个较为准确的数据;水下机器人体积大、质量大，因此所受惯性大，运动变化难以在较短的时间内实现;水下机器人在运动过程中重心和浮心易改变会引起控制较为困难等。智能控制如果能用在水下机器人，可以更好的使其适应复杂的海洋环境。
3.1.2智能控制的发展概况
智能控制技术应用于60年代，形成于70年代，应用实践于80年代，快速发展于90年代。 3.1.3智能控制系统的类型
（1）专家（仿人）控制系统：由工程控制论和专家系统结合而成，總结人的控制经验、方法和各种人类自主进行的推理技巧，进而实现控制的一种经验控制系统。（2）神经网络控制系统：将一些变化信号经过神经网络系统的评价函数映射为控制信号对系统进行控制。（3）模糊控制系统：应用于无法建立数学模型或者难以建立数学模型的情况之下。（4）分级集成智能控制系统：运用多个层次的系统结构来实现控制，或运用多种控制方法类型结合在一起构成的智能控制系统。
3.2通信技术
通信技术就是通过某些技术的支持实现良好的信息传递，主要的方式有水声通信、电缆通信、蓝绿光通信以及庞大的通信系统构成的通信网络等。在陆地上主要运用的通信方式是电磁波通信，但是在海洋中，电磁波难以长距离传播，因此水声通信成为水下较好的通信方式。它的工作原理是通过数字化处理技术将声音、图像、文字等信息转变为电信号，利用信号转化装置将电信号转化为声信号，发射端以水为媒介将声信号传递出去，接收端接收到信号后，再将声信号转变为电信号，进而转化为声音、文字、图像等信息。此外，电缆通信也是一种运用较多的通信技术，主要运用于ROV上，具有传播信息量多、传播信息稳定性高等特点，但由于电缆的限制，导致这种通讯方式控制的机器人活动能力受限，不能大范围运动。随着科技的发展，蓝绿光通信成为了当前的主要发展方向，蓝绿光通信具有传播速度快、抗衰减能力强等诸多优势，有望在水下机器人的通信中实现新突破。
3.3智能化
使水下机器人更加智能化。更好的运用智能控制系统于水下机器人之中，提高水下机器人自适应、自学习、自判断能力，使水下机器人在遇到不同状况时可以作出准确且恰当的决定，能够最大限度地适应外部环境。同时实现水下机器人的导航定位准确化。研制出更加精确的水下环境感应系统，从而更加准确的判断环境对航行路线的影响，实现航行定位的更加准确化。
3.4软件设计
水下机器人控制软件采用基于Qt的C++语言编写，使用QtCreator开发环境。软件系统主要分为以太网通讯部分、视频采集部分、CAN通讯部分和控制部分。软件功能：1）采用TCP/IP通讯协议以及CAN总线组网与水下机器人本体进行远程通讯，实现机器人控制、实时采集显示机器人运行数据功能。2）声呐图像和摄像机图像同时显示和单独显示，可以切换不同的显示方式。3）实现机器人水下声呐图像的实时采集、显示、录像功能，可对水下声呐扫描距离进行设置，可设置高分辨率模式和大范围模式，对显示方向进行设置。4）实现水下图像的实时采集、显示，录像功能，可通过上位机软件对摄像机进行聚焦调节。5）控制机器人前进、后退，上浮、下潜，左转、右转等操作。6）采用CAN对水下温度和下潜深度信等信息进行显示。
结语
目前水下机器人通过对智能控制、导航通信等技术的应用，达到了水下机器人的基本控制效果。现阶段的水下机器人情景感知、自主控制等智能水平还相对较低，仅限于完成水下探测、目标搜寻等简单、重复的任务，随着材料、能源、传感器、控制、通信、人工智能等发展，未来的水下机器人将高度智能化，代替人在水下环境中担负起自动或半自动的决策任务，适应未来开发和探测海洋的需要。
参考文献：
[1]李弘哲.水下机器人发展趋势[J].电子技术与软件工程，2017，（6）：93-93.
[2]廖伟强，罗智芸，徐素梅.水下清污机器人的研究现状与发展趋势[J].机电工程技术，2016，（1）：12-14.
[3]黄明泉.水下机器人ROV在海底管线检测中的应用[J].海洋地质前沿，2012，28（2）：52-57.
[4]王新海，李首富，张宴，等.水下探测机器人的研发与测试[J].兵工自动化，2016，35（5）：88-91.
关键词：智能水下机器人;技术研究现状;未来展望
引言
水下机器人是工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作，又称无人遥控潜水器。近年来，随着人们对海洋资源的开发和利用，由于水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人日益成为开发海洋的重要工具，同时水下机器人的应用领域也在不断扩大。目前水下机器人的应用领域已扩展到包括码头及码头桩基、桥梁水下部分检查、航道排障、港口作业、钻井平台水下结构检修、海洋石油工程、水环境和水下生物的观测研究与教学、海洋考察、水下目标观察、海上救助打捞、近海搜索等众多领域。
1水下机器人的定义和分类
水下机器人也称作无人水下潜水器，在应急救助中可以是潜水员的一种补充和有效的延伸手段，可以完成水下的一部分工作。水下机器人配备摄像头、声呐、机械手等先进设备，增强水下观察搜寻能力，并且在危险恶劣的水下环境、超极限深度作业可有效规避潜水员下水作业的各种风险，可以在水下代替人类完成某些复杂任务。水下机器人的分类方式有很多种，通常可以分为载人水下机器人（HOV），遥控机器人（ROV）和智能水下机器人（AUV）三类。
2国内外水下机器人研究现状
2.1载人水下机器人发展现状
载人水下机器人是由人员驾驶操作，配置生命支持和辅助系统，具备水下机动和作业能力的装备。该装备可运载科学家、工程技术人员和各种电子装置、机械设备，快速、精确地到达各种深海复杂环境，进行高效的勘探、科学考察和开发作业，是人类能实现开发深海、利用海洋的一项重要技术手段。
我国自主研发的载人水下机器人包括蛟龙号和深海勇士号等。蛟龙号载人潜水器是中国自行设计、自主集成研制的第一台作业型深海载人潜水器，在2012年6月，蛟龙号创造了下潜7062米的中国深潜载人记录。深海勇士号载人潜水器是中国第二台深海载人潜水器，它可以下潜到水下4500米处进行作业。
2.2遥控机器人发展现状
遥控机器人即无人有缆遥控潜水器（ROV），也称水下机器人，是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。ROV的优点在于动力充足，可以支撑复杂的探测设备和较大的作业机械用电，信息和数据的传递和交换快捷方便、数据量大。由于其操作、运行和控制等行为最终由水面功能强大的计算机、工作站，与操作 员通过人机交互的方式来进行，因而其总体决策能力和水平往往高于智能水下机器人，获得应用广泛。但脐带电缆是制约其行为的主要因素。
目前我国自主研发的ROV包括海马号、海星6000等。海马号是我国自主研制的首台4500米级深海遥控无人潜水器作业系统，最大下潜深度达到4502米，并完成了海底地震仪海底布放、水下布缆等多项任务。海星6000是我国首台自主研制成功的6000米级有缆遥控水下机器人装备，由中科院沈阳自动化研究所联合中科院海洋所等单位共同研制，最大下潜深度6001米，为我国ROV最大下潜深度。
2.3智能水下机器人发展现状
智能水下机器人包括包括AUV以及水下滑翔机（UG）等，具有一定的人工智能，可根据水下环境和作业任务自动完成轨迹规划、障碍回避、作业实施等。智能水下机器人的优点是没有脐带缆，活动范围不受空间限制，但是受到续航力和负载能力的强烈制约。
我国自20世纪80年代起即开展了无人潜水器技术的研究工作，历经30多年的发展，基本解决了无人潜水器涉及的基础技术问题，已经具备了研制各种用途的无人潜水器系统的能力。目前自主研发的智能水下机器人主要有潜龙一号、潜龙二号、海燕-II及海翼等。“潜龙一号”是由中科院沈阳自动化所联合中科院声学所、哈工程大学研制的6000米AUV，可以在水下工作中完成了探测海底地形地貌等一系列任务。“潜龙二号”是以中科院沈阳自动化所与多个研究所共同研制的水下机器人，可以用于多金属硫化物等深海矿产资源的勘探作业。“海燕-II”是由天津大学研发的一款水下滑翔机，针对于工作深度、航行速度等方面实现优化发展。“海翼”深海UG是中国科学院沈阳自动化研究所在2017年研制出的一款7000米级水下机器人。
3水下机器人关键技术研究概述
3.1智能控制技术
3.1.1智能控制
智能控制是一个由人工智能、自动控制和运筹学的交叉构成的交叉学科。近年来，智能控制技术成为水下機器人发展的一个重要技术。水下机器人难于控制的原因有几个方面，水下机器人在运行中收到海流等外界极不稳定环境因素的干扰，使其控制变得更加困难;水下机器人各项参数的高度的非线性的特点;水下机器人的水动力性能在不同的海洋环境下会改变较明显;海底水下机器人水动力系数难以测量，不能获得一个较为准确的数据;水下机器人体积大、质量大，因此所受惯性大，运动变化难以在较短的时间内实现;水下机器人在运动过程中重心和浮心易改变会引起控制较为困难等。智能控制如果能用在水下机器人，可以更好的使其适应复杂的海洋环境。
3.1.2智能控制的发展概况
智能控制技术应用于60年代，形成于70年代，应用实践于80年代，快速发展于90年代。 3.1.3智能控制系统的类型
（1）专家（仿人）控制系统：由工程控制论和专家系统结合而成，總结人的控制经验、方法和各种人类自主进行的推理技巧，进而实现控制的一种经验控制系统。（2）神经网络控制系统：将一些变化信号经过神经网络系统的评价函数映射为控制信号对系统进行控制。（3）模糊控制系统：应用于无法建立数学模型或者难以建立数学模型的情况之下。（4）分级集成智能控制系统：运用多个层次的系统结构来实现控制，或运用多种控制方法类型结合在一起构成的智能控制系统。
3.2通信技术
通信技术就是通过某些技术的支持实现良好的信息传递，主要的方式有水声通信、电缆通信、蓝绿光通信以及庞大的通信系统构成的通信网络等。在陆地上主要运用的通信方式是电磁波通信，但是在海洋中，电磁波难以长距离传播，因此水声通信成为水下较好的通信方式。它的工作原理是通过数字化处理技术将声音、图像、文字等信息转变为电信号，利用信号转化装置将电信号转化为声信号，发射端以水为媒介将声信号传递出去，接收端接收到信号后，再将声信号转变为电信号，进而转化为声音、文字、图像等信息。此外，电缆通信也是一种运用较多的通信技术，主要运用于ROV上，具有传播信息量多、传播信息稳定性高等特点，但由于电缆的限制，导致这种通讯方式控制的机器人活动能力受限，不能大范围运动。随着科技的发展，蓝绿光通信成为了当前的主要发展方向，蓝绿光通信具有传播速度快、抗衰减能力强等诸多优势，有望在水下机器人的通信中实现新突破。
3.3智能化
使水下机器人更加智能化。更好的运用智能控制系统于水下机器人之中，提高水下机器人自适应、自学习、自判断能力，使水下机器人在遇到不同状况时可以作出准确且恰当的决定，能够最大限度地适应外部环境。同时实现水下机器人的导航定位准确化。研制出更加精确的水下环境感应系统，从而更加准确的判断环境对航行路线的影响，实现航行定位的更加准确化。
3.4软件设计
水下机器人控制软件采用基于Qt的C++语言编写，使用QtCreator开发环境。软件系统主要分为以太网通讯部分、视频采集部分、CAN通讯部分和控制部分。软件功能：1）采用TCP/IP通讯协议以及CAN总线组网与水下机器人本体进行远程通讯，实现机器人控制、实时采集显示机器人运行数据功能。2）声呐图像和摄像机图像同时显示和单独显示，可以切换不同的显示方式。3）实现机器人水下声呐图像的实时采集、显示、录像功能，可对水下声呐扫描距离进行设置，可设置高分辨率模式和大范围模式，对显示方向进行设置。4）实现水下图像的实时采集、显示，录像功能，可通过上位机软件对摄像机进行聚焦调节。5）控制机器人前进、后退，上浮、下潜，左转、右转等操作。6）采用CAN对水下温度和下潜深度信等信息进行显示。
结语
目前水下机器人通过对智能控制、导航通信等技术的应用，达到了水下机器人的基本控制效果。现阶段的水下机器人情景感知、自主控制等智能水平还相对较低，仅限于完成水下探测、目标搜寻等简单、重复的任务，随着材料、能源、传感器、控制、通信、人工智能等发展，未来的水下机器人将高度智能化，代替人在水下环境中担负起自动或半自动的决策任务，适应未来开发和探测海洋的需要。
参考文献：
[1]李弘哲.水下机器人发展趋势[J].电子技术与软件工程，2017，（6）：93-93.
[2]廖伟强，罗智芸，徐素梅.水下清污机器人的研究现状与发展趋势[J].机电工程技术，2016，（1）：12-14.
[3]黄明泉.水下机器人ROV在海底管线检测中的应用[J].海洋地质前沿，2012，28（2）：52-57.
[4]王新海，李首富，张宴，等.水下探测机器人的研发与测试[J].兵工自动化，2016，35（5）：88-91.