水下机器人操作控制关键技术概述
近年，深海潜水器、水下机器人和先进的水下设备逐渐成为海洋高科技产业发展的热点话题。水下航行器操纵系统（UVMS）在海洋资源的开发和利用中发挥着至关重要的作用。目前，大多数已工业化的 UVMS 是遥控水下机器人（ROV）。ROV使用脐带电缆与母船建立连接，脐带电缆不仅可以提供电力和传输操作指令，还可以获取 ROV 返回的图像等信息。然而，遥控水下机器人在范围、成本、自动化、态势感知、决策和损害易感性方面仍存在许多局限。因此 , 为解决 ROV 的各种局限，开发具有高自主作业能力和高智能的水下航行器操纵系统 UVMS 成为当前及未来研究的热点。
1.UVMS 现状
我国针对 UVMS 的研究起步较晚，但随着海洋开发需求的增长，也取得了较大发展。2018 年，上海交通大学自主开发了6000m级无人深潜器“海龙 11000”。2021年，中国科学院沈阳自动化研究所研发的自主水下机器人“探索 4500”，跟随中国北极科考队完成北极冰下海洋环境监测任务。根据本研究汇总，将世界当前主要水下机器人分类概括如图 1 所示，其中部分为试验原型机，部分已达到工业化水平。
图 1 当前 UVMS 的分类
目前，UVMS 研究仍面临的问题和困难包括：（1） UVMS 的精确建模和流体动力学耦合问题，（2）水下自主定位和导航，（3） UVMS 的精确运动控制，（4）机械臂协调控制，等等。
2.UVMS 关键技术
作为研究中最关键的技术问题之一，UVMS 的水下操作一直是研究的重点。为了满足自主的需要，UVMS 的运动特性和控制特性相对特殊。不仅要实现稳定的控制，而且要确保控制的准确性和效率。当前 UVMS 控制方法的研究方向主要集中在：动态 / 水动力学建模、水下定位和导航、运动控制和协调控制等。其中主要的关键技术总结概括如图 2 所示。
但由于操作环境的复杂和不熟悉，如何制定控制策略一直是研究中的关键点和难点，其主要原因包括：（1）UVMS 系统是高度耦合的，非线性的，时变的；（2）当 UVMS 移动时，很难获得实时和准确的流体动力学系数；（3）它的实际运动与流体的密度和粘度有很大的相关性；（4）大海流扰动；（5）一种由不同载荷引起的重力和浮力的总中心的位移。
图 2 关键技术概述
3.UVMS 发展
水下机器人是跨学科融合的结果。UVMS 的未来发展将集成各种先进技术，如人工智能、检测和识别、信息融合、智能控制和系统集成。这些技术将使机器人从人类的实时干预中解放自己，并能够自主做出决定，实现完全自主的控制。强大的学习能力将使机器人适应环境的变化，在复杂海上环境中独立开展多种工作。今后的研究主要包括以下几个方面 :
（1）结构设计优化。UVMS 未来的发展方向将是体积小、耐久性长、任务再配置。通过优化 UVMS 的形状设计，选择合适的新材料，优化推进器之间的空间布局，以及开发具有高能量密度和仿生推进技术的能源供应系统，可以提高运动机动性和操作稳定性。
（2）机械臂结构设计优化。机械臂的优化可以大大提高水下操作的效率，特别是在非结构化环境中。一些仿生设计可以添加到 UVMS 系统中，例如能够适应非结构化环境的软体机器人机械臂和仿生双手机械臂。
（3）环境感知能力。多传感器融合可以提高 UVMS 在大规模户外非结构化环境中的感知能力，并提高水下操作机器人在复杂水下场景中的应用能力。借助水下计算机视觉、深度学习和 SLAM 技术，实现对水下环境的深度感知，包括多类型目标探测、复杂环境中的目标定位、大规模地图建设等。
（4）自主操作能力。需要对复杂场景、3D 空间、时变湍流和连续任务中的自主控制方法进行深入研究，增强操纵器的运动规划能力和环境互动能力。
（5）良好的学习能力。针对具有扰动的水下作业环境，结合 RL、迁移学习、深度学习、生物神经网络等控制策略，可以实现非结构化环境下作业目标的自主搜索与定位、自主任务规划、机体与机械臂的协调控制，甚至可以实现多水下机器人集群作业和多平台协同作业。
沈阳消防研究所译自：LinxiangSun,Yu Wang,Xiaolong Hui,Xibo Ma,Xuejian Bai,Min Tan.Underwater Robots and Key Technologies for Operation Control. Cyborg Bionic Syst. 2024;5:0089.
