我國“十四五”規(guī)劃提出，要在深地深海等前沿領(lǐng)域?qū)嵤┮慌哂星罢靶?、?zhàn)略性的國家重大科技項(xiàng)目。深海探測、海洋資源開發(fā)利用等已成為新興戰(zhàn)略性領(lǐng)域，關(guān)注深海、聚焦深海資源的獲取已上升為國家戰(zhàn)略。

面積約2.517億平方公里，占地球表面積49%的國際海底區(qū)域資源是全人類共同繼承的財(cái)產(chǎn)。為了開辟我國新的資源來源、維護(hù)我國開發(fā)國際海底資源的權(quán)益，1990年“中國大洋礦產(chǎn)資源開發(fā)協(xié)會”成立，1991年3月5日我國被聯(lián)合國海底籌委會登記為“深海采礦先驅(qū)投資者”，此后我國在國際海底先后獲得五塊探礦區(qū)，面積約23萬平方公里。

深海海底資源開發(fā)涉及諸多領(lǐng)域，是一項(xiàng)龐大系統(tǒng)工程，深海礦物資源多處于3000～6000米的海底，海面和海底環(huán)境十分復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求極為嚴(yán)苛，多數(shù)礦區(qū)距我國本土較遠(yuǎn)，缺乏必要的支撐條件，資源開發(fā)難度很大，需要分期分步逐漸推進(jìn)，因此調(diào)查、勘探成為開采前最重要的基礎(chǔ)性工程。

深海資源調(diào)查、勘探裝備大致可以分為兩類，第一類是通用常規(guī)調(diào)查設(shè)備，這類設(shè)備易于操作，成本相對低，在粗網(wǎng)格調(diào)查中十分有效，已成為我國科學(xué)調(diào)查船首選設(shè)備。第二類為大型復(fù)雜移動調(diào)查裝備，主要指深海（本文定義1000米以下）機(jī)器人系統(tǒng)，包括：載人潛水器（HOV）、遙控水下機(jī)器人（ROV）、自主水下機(jī)器人（AUV）、深海拖曳機(jī)器人（DTS，簡稱深拖）四大類。這些各有特色和優(yōu)勢的裝備功能互補(bǔ)與其它測量儀器如多波束、各種定位系統(tǒng)等組合成大洋資源高端調(diào)查與勘測系統(tǒng)。

自20世紀(jì)90年代以來，我國在國際海底區(qū)域礦產(chǎn)資源調(diào)查中自主水下機(jī)器人技術(shù)得到了長足的發(fā)展，良好的操縱性，較高的與復(fù)雜海底地形適配力，大范圍的自主航行能力、不需要綁定母船，可控的高精度航跡，以及自適應(yīng)自主管控能力，使其成為多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼和熱液硫化物調(diào)查的得力手段，在深海資源調(diào)查，海洋科學(xué)研究以及海洋工程等領(lǐng)域成為一類應(yīng)用廣泛的重要裝備。自主機(jī)器人技術(shù)十分復(fù)雜且具泛在性和帶動性，加速發(fā)展新一代的自主水下機(jī)器人，意義重大。

本文扼要闡述國外深海自主機(jī)器人現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹我國深海自主機(jī)器人從無到有、從淺到深、迎難而上的發(fā)展歷程，以具有代表性的“潛龍”系列自主水下機(jī)器人研發(fā)過程為例給出了面對的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及在大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查中的應(yīng)用情況和取得的部分成果，文末對未來發(fā)展前景提出若干設(shè)想和建議。

一、深海自主機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀

自主水下機(jī)器人是當(dāng)今世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)，國內(nèi)有許多學(xué)者對世界自主水下機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了評述。本文不擬詳細(xì)敘述，僅作簡單討論。國外自主水下機(jī)器人研究已有近70年的歷史。以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家，如英國、法國、挪威、加拿大、德國、前蘇聯(lián)等先后投入重金研發(fā)了多種型號的深海機(jī)器人，并成功用于海洋資源調(diào)查、海底地質(zhì)勘測、水下搜索等深海作業(yè)。

上個世紀(jì)50年代，美國華盛頓大學(xué)研制了世界上第一艘AUV—SPURV，1977年，法國建造了世界上第一艘潛深6000米的AUV“逆戟鯨”（Epaulard）號，“逆戟鯨”號曾在太平洋5400米深處進(jìn)行多金屬結(jié)核的調(diào)查，在后來的五年中，其水下航行超過805公里，拍下了20萬張照片。1994年美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）研發(fā)的ABE深海機(jī)器人，完成了其第一次科學(xué)考察，從1996年起，ABE完成了兩百多次的下潛作業(yè)，此后一直用于深海熱液考察。同一時期，英國Autosub、加拿大Theseus、俄羅斯MT-88都在深?？茖W(xué)研究、海洋資源調(diào)查中得到了應(yīng)用。近年來，隨著深海機(jī)器人技術(shù)的不斷進(jìn)步，一批深海機(jī)器人相繼問世，如美國的Sentry深海機(jī)器人，英國的Autosub6000，挪威的HUGIN4500，日本的R2D4等，并出現(xiàn)了商業(yè)化的深海機(jī)器人，如金槍魚機(jī)器人公司研制的Bluefin-21、Kongsberg公司生產(chǎn)的REMUS6000等，2011年REMUS6000成功搜尋到失事客機(jī)AF447的黑匣子，2017年搜尋到重型巡洋艦UUSIndianapolis的殘??；Bluefin-21參加了2014年馬航MH370的搜尋工作，Sentry、Autosub6000、R2D4多次在大洋熱液區(qū)、海底火山區(qū)執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)。

表1 國外主要深海自主水下機(jī)器人

備注：Sentry(a),REMUS 6000(b),Autosub6000(c),r2D4(d)

圖1  國外部分深海自主水下機(jī)器人

縱觀全球AUV發(fā)展的歷史，可以得出以下幾點(diǎn)看法：

⑴美國在AUV上投入的力量最大，其AUV發(fā)展的歷史具有代表性。

⑵AUV發(fā)展的歷史雖然較長但曲曲折折，與人工智能發(fā)展的歷史頗為相似，這是因?yàn)锳UV對人工智能技術(shù)的依賴更強(qiáng)。當(dāng)今，如火如荼的人工智能技術(shù)發(fā)展正推動AUV同步邁向新階段。顯然，智能化的新一代AUV應(yīng)是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

⑶AUV走出科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)商業(yè)化是一個漫長的過程，這反映了AUV的科學(xué)技術(shù)難度，至2015年國際上的AUV總數(shù)大約500臺左右，仍有近一半是試驗(yàn)床（Test-Bed）。近些年來出現(xiàn)了一些商業(yè)化的AUV，如表1中4、5、6、7、8已在國際市場上獲得認(rèn)可，AUV正在走向成熟期。相比之下我國的AUV商業(yè)市場尚未形成。

⑷“OCEAN”國際會議是觀察各類海洋機(jī)器人受關(guān)注度的窗口，“OCEAN”會議每年發(fā)表的AUV論文數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他類型水下機(jī)器人。這表明AUV仍有許多前沿科技問題需要深入探討。

二、中國深海機(jī)器人發(fā)展歷程

⒈中國深海機(jī)器人發(fā)展概況

深海機(jī)器人分為有人系統(tǒng)和無人系統(tǒng)，包括五大類，如圖2所示。 

 圖2  深海機(jī)器人類別

我國的深海機(jī)器人研究始于20世紀(jì)90年代初，在30年間，我國先后成功開發(fā)了“CR-01”、“CR-02”以及“潛龍”系列自主水下機(jī)器人；“海斗”系列自主遙控水下機(jī)器人；“海龍”、“海馬”、“海星”遙控水下機(jī)器人和拖曳式水下機(jī)器人；載人潛水器“蛟龍”、“深海勇士”和“奮斗者”號，這些高新技術(shù)裝備，工作水深在4500米到11,000米之間，基本滿足了我國深?？茖W(xué)研究和資源調(diào)查的需求。與國外同類裝備相比，其技術(shù)水平大體相齊或領(lǐng)先。

我國深海機(jī)器人裝備取得的成就與國家大力支持密切相關(guān)，在國家戰(zhàn)略需求牽引下，集結(jié)了國內(nèi)的優(yōu)勢力量，匯聚了眾多國內(nèi)頂級專家和青年精英，團(tuán)結(jié)協(xié)作、協(xié)同攻關(guān)，只用了不到國外一半的時間使我國深海機(jī)器人進(jìn)入了國際先進(jìn)水平行列。以下以深海自主機(jī)器人為例簡要介紹我國深海機(jī)器人的發(fā)展歷程。

⒉深海自主機(jī)器人發(fā)展歷程

潛深1000米以下的自主水下機(jī)器人簡稱為深海自主機(jī)器人。深海自主機(jī)器人研究是最早得到國家“863”計(jì)劃支持的重大項(xiàng)目，此后又得到科技部和中國大洋協(xié)會的持續(xù)支持，其發(fā)展歷程具有代表性，大體分作三個階段：

第一階段，自主探索起步

“八五”期間，在國家“863計(jì)劃”的支持下，包括中國科學(xué)院沈陽自動化研究所（SIA）、中國船舶總公司第702研究所、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所等單位組成聯(lián)合研制團(tuán)隊(duì)，由八位專家組成總體組，帶領(lǐng)各自團(tuán)隊(duì)展開我國第一艘潛深1000米無人無纜水下機(jī)器人“探索者”號的研制工作，從設(shè)計(jì)、制造、總裝、調(diào)試和海試全部由國內(nèi)自主完成，當(dāng)時國內(nèi)還沒有相應(yīng)的配套產(chǎn)業(yè)鏈，所需眾多材料、零件部件、儀器儀表、傳感器等主要靠國內(nèi)相關(guān)單位研制，少部分部件和材料從國外引進(jìn)，研制工作于1994年完成，并于同年在我國海南島進(jìn)行了1000米深海試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，成為我國向深海機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)軍的開端，該項(xiàng)目的成功填補(bǔ)了我國在該領(lǐng)域的一項(xiàng)空白，使我國在該領(lǐng)域擁有了一席之地，成為日后開展國際合作的基礎(chǔ)。

第二階段，國際合作加速成長

從1992年起，沈陽自動化研究所牽頭的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)與俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)東分院海洋技術(shù)問題研究所（IMTP）合作，開始研制潛深6000米自主水下機(jī)器人，該項(xiàng)目得到國家“863”計(jì)劃重大項(xiàng)目和國家外專局支持。中俄雙方發(fā)揮了各自的技術(shù)優(yōu)勢，密切合作，進(jìn)展順利， 1995年“CR-01”在太平洋海域完成了海試，對多金屬結(jié)核礦區(qū)進(jìn)行了實(shí)際探查。1997年“CR-01”又一次參加大洋協(xié)會組織的太平洋考察，獲得了我國保留區(qū)大量的科學(xué)數(shù)據(jù)，取得了大量第一手的資料?！癈R-01”是我國第一臺6000米級深海機(jī)器人，使我國一躍成為世界上少數(shù)擁有該項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備的國家之一。

“CR-01”以太平洋洋底多金屬結(jié)核豐度調(diào)查為應(yīng)用目標(biāo)，其最大工作水深6000米，最大航速2節(jié)，續(xù)航力10小時，搭載有避碰聲吶，側(cè)掃聲吶，淺地層剖面儀、照相機(jī)、錄像機(jī)等傳感器設(shè)備，可進(jìn)行水下攝像、照相、海底地勢及剖面測量、水文物理測量等。在國家863計(jì)劃的支持下，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)又開展了“CR-02”的研制及試驗(yàn)工作?！癈R-02”在“CR-01”基礎(chǔ)上改進(jìn)和提高了垂直面的機(jī)動性，主要適用于用于深海富鈷結(jié)殼調(diào)查和復(fù)雜地形下的海洋調(diào)查等。

 備注：(a)“Explorer”AUV，(b)“CR-01”6000m AUV，(c)“CR-02”6000m AUV

圖3  深海自主水下機(jī)器人（SIA）

第三階段，自主創(chuàng)新發(fā)展

近十年來，在國家“863”計(jì)劃、中國大洋協(xié)會和中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)的支持下，沈陽自動化所面向大洋資源調(diào)查和海洋科學(xué)研究，先后研制了“潛龍”系列和“探索”系列自主水下機(jī)器人，用于大洋多金屬結(jié)核調(diào)查、熱液區(qū)資源勘查，冷泉區(qū)科學(xué)調(diào)查和海洋科學(xué)研究。

“潛龍”系列包括“潛龍一號”、“潛龍二號”、“潛龍三號”、“潛龍四號”，潛深4500米～6000米?！疤剿鳌毕盗凶灾魉聶C(jī)器人是面向海洋科學(xué)研究研制的系列自主水下機(jī)器人，潛深為100米～4500米。

表2  我國主要深海自主機(jī)器人 

“潛龍一號”是中國大洋協(xié)會“十二五”項(xiàng)目支持研制的，它以大洋多金屬結(jié)核資源調(diào)查為主要目標(biāo)，自2013年起多次執(zhí)行太平洋多金屬結(jié)核調(diào)查任務(wù)，2016年對“潛龍一號”的導(dǎo)航定位、聲學(xué)探測、光學(xué)探測以及操作使用等方面進(jìn)行了升級，現(xiàn)已交付海洋調(diào)查船使用，為完成中國大洋協(xié)會與國際海底管理局簽訂的多金屬結(jié)核勘探合同提供裝備支撐。 

圖4“潛龍一號”和“潛龍四號”6000米自主水下機(jī)器人

“潛龍二號”是國家863計(jì)劃支持研制的，主要用于大洋多金屬硫化物調(diào)查作業(yè)，“潛龍二號”為了適應(yīng)深海熱液區(qū)復(fù)雜地形作業(yè)的需要采用了非回轉(zhuǎn)體立扁型外形，配有可旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器和可旋轉(zhuǎn)舵的推進(jìn)布局，使其具有良好的垂直面機(jī)動性和航行穩(wěn)定性?！皾擙埗枴币彩俏覈着_獲得中國船級社（CCS）入級證書的水下機(jī)器人。2017年起，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，沈陽自動化所對“潛龍二號”進(jìn)行了技術(shù)升級，在續(xù)航力、超短基線定位、探測載荷搭載等方面有較大的提升，同時具備了自動采集水樣的能力。 

 圖5“潛龍二號”和“潛龍三號”4500米自主水下機(jī)器人

“潛龍三號”是中國大洋協(xié)會支持研制的，以完成大洋多金屬硫化物礦區(qū)的資源調(diào)查為主要目標(biāo)，“潛龍三號”是在“潛龍二號”基礎(chǔ)上的改進(jìn)型，在可靠性、穩(wěn)定性和探測效率方面都有較大的提升，適用于深海熱液區(qū)復(fù)雜地形作業(yè)。2018年5月完成海試及試驗(yàn)性應(yīng)用。2019年起“潛龍三號”在南大西洋、西南印度洋開展科考應(yīng)用，為該區(qū)域的海底熱液活動及生態(tài)環(huán)境綜合調(diào)查提供了依據(jù)。

“潛龍四號”是中國大洋協(xié)會采購的產(chǎn)品化6000米深海自主水下機(jī)器人，其主要技術(shù)指標(biāo)同“潛龍一號”。2020年“潛龍四號”首次執(zhí)行大洋調(diào)查任務(wù)，并順利交付用戶。自2013年起，“潛龍”系列深海自主水下機(jī)器人開展了十余次大洋科考，足跡遍及太平洋、印度洋和大西洋，其在大洋多金屬結(jié)核區(qū)和多金屬硫化物區(qū)的成功應(yīng)用，支撐中國履行與聯(lián)合國國際海底管理局的深海資源勘查合同，標(biāo)志著我國深海自主水下機(jī)器人步入實(shí)用化、常態(tài)化應(yīng)用階段。

 圖6  “探索4500”自主水下機(jī)器人

“探索4500”是中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）支持研制的4500米級深海自主水下機(jī)器人，它采用立扁形設(shè)計(jì)，主要用于深海熱液、冷泉區(qū)復(fù)雜環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)查研究。2017年“探索4500”在南海冷泉區(qū)進(jìn)行了海試與示范應(yīng)用，獲得冷泉區(qū)精細(xì)地形地貌圖，冷泉區(qū)近底影像照片和理化環(huán)境多參數(shù)探測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)AUV和ROV的跨區(qū)域同時作業(yè)。

2019年4月“探索4500”自主水下機(jī)器人與“海馬”ROV在南海北部陸坡西北海域開展聯(lián)合調(diào)查，獲得大量水體觀測數(shù)據(jù)和高清海底照片，拍攝到具有“冷泉”特征的海底生物。為發(fā)現(xiàn)新的海底大型活動性“冷泉”，查明其分布范圍、生物群落及流體活動等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

小結(jié)：

⑴“潛龍”、“探索”系列自主水下機(jī)器人是完全依靠國內(nèi)力量自主完成的高端實(shí)用化科技裝備，其主要性能指標(biāo)與國際同類機(jī)器人水準(zhǔn)基本相齊。

⑵“潛龍”、“探索”系列的研制成功表明我國已經(jīng)完全掌握了深海機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)和核心技術(shù)，包括總體技術(shù)，線形設(shè)計(jì)，耐壓材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，高水壓密封技術(shù)，操縱性研究，能源動力與推進(jìn)，自動駕駛與航行控制，計(jì)算機(jī)軟件與硬件，電子電器，導(dǎo)航、定位及通訊，故障診斷與應(yīng)急處理，傳感及探測載荷等，國內(nèi)相關(guān)配套另部件和材料供給能力日臻完善。

⑶各種支撐條件，大型和關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)室測試裝備，試驗(yàn)場地、測試評價環(huán)境等基本健全。

⑷我國已經(jīng)形成了一支專業(yè)齊全、經(jīng)驗(yàn)豐富、老中青結(jié)合的人才隊(duì)伍。

三、深海自主機(jī)器人在大洋礦產(chǎn)

資源調(diào)查中的應(yīng)用

國際海底蘊(yùn)藏著豐富的礦物資源，20世紀(jì)50年代末開始，美、日、英、法、西德和前蘇聯(lián)等發(fā)達(dá)國家，在中、東太平洋進(jìn)行了大規(guī)模的勘探活動，并陸續(xù)圈定了多金屬結(jié)核富礦區(qū)。中國大洋協(xié)會作為第五個深海采礦的先驅(qū)投資者，承擔(dān)30萬平方公里洋底的探測任務(wù)，并最終擁有對礦產(chǎn)資源最豐富的7.5萬平方公里海域的優(yōu)先開采權(quán)。

我國的深海機(jī)器人，研究始于20世紀(jì)90年代初，與中國大洋調(diào)查活動是同期進(jìn)行的，深海自主機(jī)器人，最初的應(yīng)用領(lǐng)域是大洋多金屬結(jié)核調(diào)查和富鈷結(jié)殼調(diào)查，從“十二五”開始，結(jié)合國際海底資源調(diào)查的新形勢，擴(kuò)展到熱液硫化物、生物資源等的調(diào)查。

深海自主機(jī)器人，用于大洋礦產(chǎn)資源調(diào)查時，其搭載的探測傳感器主要有：光學(xué)傳感器、地形地貌探測傳感器、水文調(diào)查傳感器、磁探測傳感器等。光學(xué)傳感器包括水下照相機(jī)和水下攝像機(jī)，可獲得水下照片和影像。地形地貌探測傳感器包括測深側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、多波束測深儀等，主要用于海底地形地貌測量。水文調(diào)查傳感器包括溫鹽深（CTD）、濁度計(jì)、甲烷、二氧化碳、pH、溶解氧、氧化還原電位計(jì)等，主要用于海水物理和化學(xué)參數(shù)測量。磁探測傳感器主要指磁力儀，用于探測地磁強(qiáng)度及磁異常。深海自主機(jī)器人，通過搭載上述傳感器可開展深海多金屬結(jié)核調(diào)查、熱液硫化物調(diào)查、冷泉調(diào)查、深海生物資源調(diào)查等。

⒈深海自主機(jī)器人在多金屬

結(jié)核調(diào)查中的應(yīng)用

多金屬結(jié)核又稱錳結(jié)核，其主要分布在太平洋水深4000至6000米的海底，埋藏或半埋藏于海底沉積物中，多金屬結(jié)核富含錳、銅、鈷、鎳等金屬，由于其總量巨大，是最具規(guī)模性商業(yè)開發(fā)價值的海底戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源。圍繞多金屬結(jié)核調(diào)查，要求機(jī)器人具備自主海底地形地貌探測、淺地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測、海底拍照/錄像、海洋環(huán)境參數(shù)測量等能力，概括之為自主聲學(xué)探測、光學(xué)探測和水文探測。

多金屬結(jié)核分布區(qū)地形地貌相對平坦，地勢起伏不大，偶有小型海底丘陵。這種地形對自主水下機(jī)器人的垂直機(jī)動能力要求不高，因此一般設(shè)計(jì)成魚雷體流線型外形?！癈R-01”、“潛龍”一號和“潛龍四號”都是按照此應(yīng)用環(huán)境而設(shè)計(jì)的，“潛龍一號”是“CR-01”的改進(jìn)和增強(qiáng)版，“潛龍四號”則屬于“商業(yè)版”。通過搭載的測深側(cè)掃聲吶和照相機(jī)等探測傳感器，獲取海底地形數(shù)據(jù)、背散射數(shù)據(jù)、照片數(shù)據(jù)等多元綜合數(shù)據(jù)，目的就是確定多金屬結(jié)合的豐度，為未來開采選址提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

 圖7  “CR-01”自主水下機(jī)器人航行軌跡圖和拍攝的洋底錳結(jié)核

自主水下機(jī)器人在聲學(xué)和光學(xué)調(diào)查時通常采用梳狀搜索航線定高航行，以實(shí)現(xiàn)對海底區(qū)域全覆蓋，通過自主水下機(jī)器人沿測線航行過程中獲得的圖像進(jìn)行拼接，可以獲得該區(qū)域的完整光學(xué)和聲學(xué)圖像。圖7(a)為航行時的軌跡，圖7(b)為“CR-01”和“潛龍一號”在多金屬結(jié)核礦區(qū)拍攝的海底錳結(jié)核照片。

“CR-02”自主水下機(jī)器人是為適應(yīng)深海海底富鈷結(jié)殼調(diào)查而研制的深海機(jī)器人，鈷結(jié)殼是一種分布于海底火山坡上的礦物資源，由于深海海山坡的地形復(fù)雜，對水下機(jī)器人的操縱控制、自治功能提出了較高的要求，“CR-02”自主水下機(jī)器人安裝有8個避碰聲吶，用于自主水下機(jī)器人的避碰?！癈R-02”在特殊情況下可作為定點(diǎn)調(diào)查設(shè)備使用。作為定點(diǎn)調(diào)查設(shè)備使用時，通過長基線聲學(xué)定位系統(tǒng)實(shí)時糾正其航跡與工作狀態(tài)。圖8為2001年8月“CR-02”對湖底模擬結(jié)核開采區(qū)進(jìn)行實(shí)際觀測的情況，觀測區(qū)長200米、寬100米，“CR-02”自主水下機(jī)器人對該區(qū)域模擬結(jié)核鋪撒前、后，及集礦機(jī)采集后的湖底分別進(jìn)行了觀測，以便為評價采集效果提供依據(jù)。圖8(a)為“CR-02”自主水下機(jī)器人通過長基線定位系統(tǒng)獲得的實(shí)際航跡，圖8(b)為測深側(cè)掃聲吶獲得的聲圖，這是模擬結(jié)核鋪撒的分布情況及集礦機(jī)采礦時所留下的軌跡。圖8(c)為照相機(jī)拍攝的模擬結(jié)核照片。

 圖8  “CR-02”在定點(diǎn)調(diào)查中應(yīng)用

“潛龍一號”搭載有國產(chǎn)測深側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、高清照相機(jī)及多種水文探測傳感器，具有大范圍聲學(xué)調(diào)查和近海底光學(xué)調(diào)查兩種工作模式。圖9(a)為“潛龍一號”在大洋32航次中拍攝的海底錳結(jié)核照片，本航次中“潛龍一號”獲得光學(xué)照片11579張。圖9(b)為“潛龍一號”獲得的海底測深圖（局部）。

 圖9  “潛龍一號”拍攝的海底錳結(jié)核照片和獲得的海底測深圖

以上這些結(jié)果表明深海自主機(jī)器人與具有同樣功能的深拖和其它手段相比，航行穩(wěn)定，航跡精準(zhǔn)，獲得的調(diào)查圖片穩(wěn)定、清晰，獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量高，對于確定多金屬結(jié)合的豐度和礦區(qū)的圈定發(fā)揮重要作用。

⒉深海自主機(jī)器人在熱液硫化物/

冷泉調(diào)查中的應(yīng)用

多金屬硫化物（熱液硫化物）是一種含有銅、鋅、鉛、金、銀等多種元素的重要礦產(chǎn)資源，主要出現(xiàn)在2000～3000米深的大洋中脊和斷裂活動帶上。熱液硫化物是海水侵入海底裂縫，受地殼深處熱源加熱，溶解地殼內(nèi)的多種金屬化合物，再從洋底噴出的煙霧狀的噴發(fā)物冷凝而成的，深海熱液俗稱“黑煙囪”，其附近的溫度高達(dá)400℃。熱液硫化物是繼大洋錳結(jié)核和結(jié)殼之后發(fā)現(xiàn)的又一具有巨大開發(fā)遠(yuǎn)景的海底礦產(chǎn)資源。

海底冷泉是一種海底的極端環(huán)境，來自海底沉積界面之下的流體以噴涌或滲漏方式從海底溢出，并產(chǎn)生系列物理、化學(xué)及生物作用。冷泉是探尋天然氣水合物的重要標(biāo)志之一，冷泉生態(tài)系統(tǒng)是研究地球深部生物圈的窗口。

熱液硫化物區(qū)和冷泉區(qū)地勢復(fù)雜，地勢起伏較大，調(diào)查中要求自主水下機(jī)器人抵近海底或者噴口進(jìn)行探測。當(dāng)自主水下機(jī)器人進(jìn)行近距離拍照時，需要自主水下機(jī)器人具有良好的機(jī)動性和更強(qiáng)的自主避障能力，實(shí)時識別海底地形起伏和前方障礙，根據(jù)障礙物復(fù)雜度和碰撞危險度進(jìn)行決策，完成避障過程。

“CR-02”、“潛龍二號”、“潛龍三號”和“探索4500”均為大洋復(fù)雜海底資源勘察而設(shè)計(jì)的自主水下機(jī)器人，上述水下機(jī)器人在深海礦產(chǎn)資源調(diào)查中表現(xiàn)出極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性：“CR-02”增加了垂直槽道推進(jìn)器，加強(qiáng)了垂直面操控和機(jī)動能力；“潛龍二號”、“潛龍三號”和“探索4500”采用了立扁仿魚型流線外形，并配置了4個可旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器，結(jié)合全新的運(yùn)動控制方法，使其具有良好的垂直面機(jī)動性和航行穩(wěn)定性。此外，搭載了測深側(cè)掃聲吶、磁力計(jì)、甲烷、溫鹽儀、照相機(jī)、多參數(shù)水質(zhì)儀等多種探測傳感器，具備聲學(xué)調(diào)查和近底光學(xué)調(diào)查兩種工作模式，可在熱液硫化物礦區(qū)獲得高精度地形圖、高清圖像、磁力數(shù)據(jù)和多種水體物理和化學(xué)數(shù)據(jù)。

2015年12月到2016年3月，“潛龍二號”在西南印度洋進(jìn)行首次海底資源調(diào)查，在西南印度洋熱液礦區(qū)作業(yè)70余天，獲得了熱液區(qū)近海底精細(xì)三維地形地貌和磁力數(shù)據(jù)，獲得洋中脊近海底高分辨率照片，同時發(fā)現(xiàn)熱液區(qū)多處熱液異常點(diǎn)，“潛龍二號”連續(xù)3年執(zhí)行了我國西南印度洋多金屬硫化物礦區(qū)的航次調(diào)查任務(wù)，為該海域海底礦區(qū)資源評估和礦區(qū)區(qū)域放棄提供了多元高精度數(shù)據(jù)。圖10為“潛龍二號”獲得的熱液區(qū)海底硫化物及熱液區(qū)測深圖，圖11為“探索4500”獲得的冷泉區(qū)光學(xué)照片、海底軌跡和水體觀測數(shù)據(jù)。 

 圖10 “潛龍二號”在熱液區(qū)拍攝到的海底硫化物和熱液區(qū)測深圖

 圖11  “探索4500”在冷泉區(qū)獲得的光學(xué)照片和水體觀測數(shù)據(jù)

“十三五”期間，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，對“潛龍二號”進(jìn)行了技術(shù)升級，并開展科學(xué)應(yīng)用。通過優(yōu)化自主水下機(jī)器人性能和擴(kuò)展功能，提高自主水下機(jī)器人的作業(yè)效率；設(shè)計(jì)了一套基于超短基線的組合導(dǎo)航算法，滿足聲學(xué)微地貌探測的拼圖要求；通過對多源同步探測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理、自主分析，指導(dǎo)自主水下機(jī)器人自主采水樣。

“潛龍”系列、“探索”系列自主水下機(jī)器人的研制及成功應(yīng)用，使我國的深海自主水下機(jī)器人裝備實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，為深海資源探測和海洋科學(xué)研究提供了重要的技術(shù)手段。

四、展望與建議

在過去30年間，我國的深海資源調(diào)查裝備有了長足的進(jìn)展，“大洋一號”船經(jīng)過幾次升級改造已經(jīng)成為一艘裝備完善先進(jìn)的科學(xué)調(diào)查船，新的調(diào)查船正在擴(kuò)充我國的遠(yuǎn)洋調(diào)查船隊(duì)。科學(xué)調(diào)查船是海洋調(diào)查的海上研究基地。我國基于科學(xué)調(diào)查船的調(diào)查裝備有了很大發(fā)展，新世紀(jì)以來，我國已有以“奮斗者”為代表的三型具有國際先進(jìn)水平的載人潛水器先后投入服務(wù)，遙控型和自主型的深海機(jī)器人也取得了長足的進(jìn)步。

我國深海調(diào)查裝備可以分為三代，常規(guī)調(diào)查設(shè)備和深海水下機(jī)器人為第一代和第二代，深海資源調(diào)查與開發(fā)的戰(zhàn)略需求和以人工智能、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的信息電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，正在推動深海裝備邁向第三代。

展望未來，認(rèn)識海洋，深入拓展海洋資源調(diào)查仍將是未來一、二十年的重點(diǎn)任務(wù)。調(diào)查工作全球化，面向三大洋、南北極及海斗深淵，適時向地內(nèi)、地外海洋拓展；精細(xì)化，網(wǎng)格從千公里到百公里乃至公里級；調(diào)查裝備智能化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化、立體化、規(guī)?；?；調(diào)查數(shù)據(jù)專業(yè)和商業(yè)化是未來發(fā)展的總趨勢。為此，

建議1：基于信息化、智能化、無人化建設(shè)第三代深海調(diào)查裝備體系。以自主水下機(jī)器人信息化、智能化、無人化、網(wǎng)絡(luò)化為切入點(diǎn)，全面推動深海裝備向第三代轉(zhuǎn)型。

建議2：現(xiàn)有深海調(diào)查裝備的改進(jìn)與提升。在現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上努力改進(jìn)和提升8種能力，自適應(yīng)生存力、強(qiáng)大運(yùn)載力、復(fù)雜使命執(zhí)行力、智能決策力、自主管控力、協(xié)同力、信息化能力和重大科學(xué)平臺支撐力。

建議3：在建議2的基礎(chǔ)上努力實(shí)現(xiàn)單使命向多使命；簡單任務(wù)向復(fù)雜任務(wù)；程序化向智能化；信息化向作業(yè)化；單平臺向多平臺；單一介質(zhì)向跨介質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

建議4：建設(shè)岸基指控和數(shù)據(jù)中心、無人化海洋科學(xué)調(diào)查船為海上中心，水面機(jī)器人為分中心，空中和水下機(jī)器人為基元的新型互通、互聯(lián)、互補(bǔ)的深海調(diào)查裝備體系。

五、結(jié)語

按照《聯(lián)合國海洋法公約》，國際海底區(qū)域及其資源是人類的共同繼承財(cái)產(chǎn)，但是沒有先進(jìn)技術(shù)手段就無法獲取這部分資源，先進(jìn)的技術(shù)和一流的裝備，既是我國作為大國的形象必備，也是國際海底資源獲取的先決條件，為了更多的獲取國際海底資源，大力發(fā)展深海裝備是一件功在當(dāng)代利在千秋，造福子孫后代的偉大事業(yè)。

END

【作者簡介】文/封錫盛 李一平 徐會希 李智剛，分別來自中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院和遼寧省水下機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。第一作者封錫盛，1941出生，出生于遼寧省海城市，1965年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員，1999年當(dāng)選為中國工程院院士；是我國最早從事水下機(jī)器人研究的專家之一，曾經(jīng)擔(dān)任我國第一臺有纜遙控水下機(jī)器人“海人一號”電控系統(tǒng)負(fù)責(zé)人、我國第一臺無纜自治水下機(jī)器人“探索者號”的總設(shè)計(jì)師、“CR-01”6000米自治水下機(jī)器人項(xiàng)目副總設(shè)計(jì)師、“CR-01”自治水下機(jī)器人工程化項(xiàng)目的總設(shè)計(jì)師和“CR-02”6000米自治水下機(jī)器人總設(shè)計(jì)師，主要負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)、自主控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等方面的工作；獲省部級科技進(jìn)步獎二等獎以上獎勵10項(xiàng)，在國際會議上發(fā)表論文4篇，國內(nèi)學(xué)術(shù)刊物論文14篇，與他人合作編著《機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論》和《水下機(jī)器人》。通訊作者李一平，中科院沈陽自動化研究所水下機(jī)器人研究中心研究員，1988年畢業(yè)于中科院沈陽自動化研究所，獲工學(xué)碩士學(xué)位，1999年被聘為碩士導(dǎo)師。多年來一直從事水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究工作。本文為基金項(xiàng)目，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0305901)。本文來自《中國有色金屬學(xué)報(bào)》（2021年第9期），參考文獻(xiàn)略，用于學(xué)習(xí)與交流，版權(quán)歸作者及出版社共同擁有，作者介紹系本平臺加載，轉(zhuǎn)載也請備注由“溪流之海洋人生”微信公眾平編輯與整理。