井國慶，卜俊杰，蔡加付，2

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044；2.杭州申昊科技股份有限公司，浙江 杭州 311121)

水下基礎設施承受水流沖刷，生物化學侵蝕等影響，出現(xiàn)的病害嚴重威脅安全運營。例如2000年，臺灣省高屏大橋發(fā)生坍塌，造成22人受傷。原因是早已裸露的基礎被河水沖垮。截至2022年，德國47%的橋梁年齡超過40年，法國和英國的橋梁缺陷率分別為39%、30%[1]。

傳統(tǒng)檢測方法，比如鉆孔取芯法、水下目視法、低應變法等，存在精度低、檢測行為易影響正常交通運行、狹小危險區(qū)域檢測難度大等缺點。目前出現(xiàn)了許多新技術，比如聲吶探測法、視覺圖像分析、水下高光譜成像技術和水下機器人技術等[2-3]。水下機器人是一種智能潛水器，能夠代替人在水下環(huán)境作業(yè)。隨著自主航行控制、導航通信、動力推進、目標識別、機械手作業(yè)等技術的不斷突破，水下機器人能夠在極端環(huán)境中完成基礎檢修工作。

1 水下機器人簡介

水下機器人分為載人潛水器(HOV)和無人潛水器(UUV)，UUV又分為有纜遙控水下機器人(ROV)、自主水下機器人(AUV)、自主/遙控水下機器人(ARV)，如圖1所示[4]。

圖1 水下機器人分類

ROV通過電纜與水上平臺(比如母船，岸上操作臺)相連接，操作人員可以進行數(shù)據(jù)傳輸，能源提供等實時操作。ROV優(yōu)點是可以在小范圍內進行精細作業(yè)，但是電纜的長度會限制ROV的作業(yè)范圍。AUV攜帶能源，可自主航行，進行較大范圍作業(yè)，但是在續(xù)航和實時數(shù)據(jù)傳輸方面存在技術困難。ARV是結合前兩者技術的混合式水下機器人，具有自主、遙控、半自主等不同作業(yè)模式。ARV不僅能實時數(shù)據(jù)交互，還能進行長距離精密作業(yè)。ARV的研發(fā)代表著信息型AUV向作業(yè)型AUV的過渡[5]。

2 應用領域

水下機器人在水下基礎設施檢測、水下結構清洗、深海作業(yè)和水下救援打撈等領域應用廣泛。

2.1 水下基礎設施檢測

水下基礎設施主要涉及橋墩、大壩、海上建筑和水工隧道等。利用UUV檢測水下結構物及周邊環(huán)境狀態(tài)，可以判斷結構物是否滿足預定的功能要求。

UUV檢測系統(tǒng)可以集成高清攝像、聲吶掃描、激光成像等技術，生成高精度三維圖像，準確定位病害位置和量化病害程度達到毫米級。

2.2 水下結構清污

水下生物、臟污會附著并腐蝕基礎表面，對于長時間航行的船只，船身附著的臟污會降低航行速度，增加油耗。清洗型UUV能夠代替人工高效清除臟污。清洗型UUV主要采用真空吸附、磁吸附、推力吸附等爬壁方式。真空吸附結構簡單，成本低，但是對船體表面平整度要求高。磁吸附分為電磁吸附和永磁吸附，電磁吸附可通過電流控制吸附效果，但是需要大量電能。永磁吸附可靠性高，但是UUV的安裝、卸取不方便。推力吸附適應性強，但是推力裝置消耗能源多，噪音大。

清除臟污的方式主要有機械刷、高壓水柱、高壓空化水射流、超聲波等方法[8]。這些方式相互配合，大大提高了清潔效率，并且對結構物表面的損害很小，已經成為水下結構物清污的主流方式。

2.3 深海作業(yè)

海底輸送管道可能會出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象，需要維修人員定期進行檢查。UUV機身的耐腐蝕性和高承壓性使其進行深海作業(yè)成為可能，其拍攝的石油管道滲漏圖片經過處理后可以清楚了解滲漏的情況和位置。除此之外，UUV還可以利用機械手臂進行抓取物體、水下焊接、拆卸部件和開關閥門等管道維修操作[11]。

2.4 水下救助打撈

潛水員在進行水下救援時除了會面臨高壓、渦流和低溫等自然危險，還可能會出現(xiàn)化工污染等人為災害。水下救援機器人可承受高壓、低溫、有害污染物的影響。此外，機器人可以攜帶大量救援物資。小型UUV還可進入狹小空間，提高救援效率。除此之外UUV還可用于水中異物打撈，比如在一些水力發(fā)電廠中，會使用UUV進行異物搜索，避免螺栓、螺母等小型零部件進入電站設備內，保障發(fā)電廠的安全運行。

3 關鍵技術

水下機器人正朝著系統(tǒng)化、智能化和技術聚類的方向發(fā)展，所涉及的關鍵技術是進行快速、準確作業(yè)的保障，主要包括續(xù)航時間、自治水平、水下通信質量和推進技術等。

3.1 續(xù)航時間

多數(shù)情況下，雖然母船暫時解決了UUV的充電問題，但是母船費用高昂，并且充電過程會花費不少時間。所以研究UUV電池續(xù)航能力和充電技術是非常重要的。

UUV采用的電池主要包括以下幾類：燃料電池、半燃料電池、二次電池等。燃料電池使用壽命長，在很多領域都獲得了成功的應用。在半燃料電池中，金屬作為陽極，空氣作為陰極，海水作為電解質，能夠獲得較高的能量密度。二次電池可充電，使用次數(shù)可達上千次[12]。除上述采用電池為能源外，UUV還采用熱機(閉循環(huán)柴油機、斯特林發(fā)動機)，可再生能源(潮汐、洋流、海風、水溫差和鹽度差)等。

水下機器人采用的充電技術主要有水下充電樁充電，太陽能充電等。水下充電系統(tǒng)支持自動對接、電池充電以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。水下充電分為有線電能傳輸和無線電能傳輸2種方式，有線電能傳輸對接口的密封性要求很高，通常采用濕插拔接頭充電，接頭周圍配備橡膠環(huán)，借助水體的壓力將接頭的開口封死形成密封的空間，在空間內完成電纜的插拔[13]。無線充電技術基于電磁感應原理，AUV自主駛入充電塢內，充電塢上的抱緊裝置將其固定，然后充電樁通過“電—磁—電”的方式將電能從充電塢傳送到AUV。該方式無需纜線連接，去掉了供能側和AUV的接頭，提高了設備的密閉性，同時其定位精度要求也較低。

太陽能充電為AUV提供了幾乎源源不斷的能量，并且對環(huán)境友好，節(jié)約了成本。

3.2 自治水平

提高UUV自治水平，能讓操作人員擺脫繁重的作業(yè)量，而自治水平主要體現(xiàn)在路徑規(guī)劃方面，其分為全局路徑規(guī)劃和面對新環(huán)境時的局部路徑規(guī)劃。

UUV路徑規(guī)劃分為5個步驟：環(huán)境信息收集、環(huán)境建模、全局路徑規(guī)劃、環(huán)境感知、局部路徑規(guī)劃調整[15]。

(1)UUV通過傳感器收集周圍環(huán)境及自身的信息，比如障礙物位置、移動速度、水流速度、機體的運動狀態(tài)等。

(2)通過采集到的數(shù)據(jù)和已有環(huán)境參數(shù)進行環(huán)境建模。一般常用的建模方法有規(guī)則網格模型法、不規(guī)則網格模型法。

(3)通過優(yōu)化目標函數(shù)，例如避障性能、時間和能源消耗等函數(shù)進行全局路徑規(guī)劃。規(guī)劃算法有遺傳算法、蟻群優(yōu)化算法、快速探索隨機樹等。

(4)在航行過程中不斷采集實時環(huán)境參數(shù)，感知未知障礙物。

(5)數(shù)據(jù)更新，局部路徑調整，不斷優(yōu)化全局路徑。涉及的算法主要有人工勢場、模糊邏輯算法和人工神經網絡等。

針對路徑規(guī)劃，國內許多大學和機構對此得出了不少研究成果，比如基于改進蟻群算法的水下自主航行機器人路徑規(guī)劃；基于RRT*算法的水下機器人全局路徑規(guī)劃方法；基于模糊算法的AUV避障與姿態(tài)控制等[16-18]。

3.3 水下通信

面對未知的工作環(huán)境，擁有可靠的通信系統(tǒng)才能保障對UUV的高效控制。

當前，水下通信主要有2個大方向：①有線通信，包括電纜通信、光纖通信和電力載波通信等；②無線通信，包括聲學通信、無線電通信和光通信等。有線通信雖然數(shù)據(jù)傳輸效率高，但作業(yè)范圍會受纜繩長度的限制，并且纜繩可能會纏繞雜物。對于無線通信，聲學通信比其它通信衰減更小，通信范圍更廣，是目前UUV通信領域中應用最廣泛的技術。上述的無線通信方法可以依靠衛(wèi)星、地面接收站、潛艇等作為通信中轉站，UUV協(xié)同探測方案如圖2所示。

圖2 UUV集群協(xié)同群探測示意圖[19]

3.4 推進技術

水下機器人的推進方式主要有螺旋槳推進、噴水推進、仿生推進、履帶推進等。

UUV可以通過控制槳葉旋轉速度和方向來調節(jié)水下機器人的運動狀態(tài)，也可以采用液壓推進系統(tǒng)增大調速范圍。噴水推進器是水泵將水加速后噴射出去，反推機器人前進，速度快，噪音小。除了水泵推送，還可以在推進器內的水體中施加電場，利用洛倫茲力將水噴射出去。

通過模仿水生動物的運動方式，仿生UUV靈活性強、能源消耗少，并且對環(huán)境的干擾小。UUV能夠模仿很多水生動物，比如魚、蛙、烏龜?shù)?。采用履帶推進的水下機器人，多用于水底作業(yè)，比如海底管道和電纜的鋪設，其具有良好的越障能力。除此之外，有一種無動力裝置的UUV—水下滑翔機，它依靠自身重力和浮力前進。比如我國完全自主研發(fā)、擁有自主知識產權的“海翼”號就是一個典型的水下滑翔機。

4 發(fā)展趨勢

面對日益嚴峻的水下作業(yè)任務，水下機器人技術必須不斷革新?，F(xiàn)階段用于水利工程檢測維修的水下機器人在還存在一些不足。這里將針對這些難題提出對應的發(fā)展策略。

4.1 通信

在水下工程檢修中，經常會遇到水體渾濁、噪音大和水流湍急等情況。這些不利條件會對水下通信產生影響，造成傳輸速率低，精度差，形成通信盲區(qū)等。此外，聲學通信存在帶寬限制、多普勒效應等技術難題。對此，亟需優(yōu)化通信系統(tǒng)，提高其可靠性、穩(wěn)定性和實時性。

近年來，我國水聲通信領域取得了一定進展。在后續(xù)研究中，以下3個方面要作為重點方向：①近程高速水聲通信節(jié)點及組網技術的研究，以滿足淺海網絡觀測中海量數(shù)據(jù)的交互需求；②遠程和超遠程低速通信技術的研發(fā)，提高通信距離和速度，研究兼容遠程低速的網絡協(xié)議；③發(fā)展與水聲通信網絡能力相匹配的協(xié)同觀測技術，提高觀測站的數(shù)據(jù)預處理能力，充分發(fā)揮網絡觀測的協(xié)同優(yōu)勢。以上的研究將很好地解決水下聲學通信中遇到的一些難題。

在檢測維修中，經常需要AUV機群協(xié)同工作，共享信息，發(fā)揮不同機型的優(yōu)勢。為了實現(xiàn)機群有效控制，設計具有時延容限的AUV編隊系統(tǒng)是一個熱門研究方向。另外關于如何處理通信故障，目前的研究大多都是假設個別AUV“暫時性故障”而進行的故障修復機制，沒有對“永久性損壞”情況下的故障修復做充分分析，所以在今后的研究中要兼顧到這一點。

4.2 仿生技術

仿生UUV通過模仿水生生物的形態(tài)和動作來獲取動力，并且受到的水流阻力小，近年來發(fā)展迅速。但是作為一項新技術，仿生UUV面臨許多難題。

①人們對仿生流體動力學的了解不夠深入，所以后續(xù)的研究中要更好地建立運動模型。②材料的難題，“魚尾”、“魚鰭”的擺動對材料要求很高。未來，一些智能材料，比如形狀記憶合金材料、離子導電聚合物材料、壓電材料和納米碳復合材料等，這些材料的發(fā)展將很好地完善仿生UUV的性能。③流量傳感和運動控制。當前的仿生UUV系統(tǒng)是以開環(huán)方式控制的，無法對周圍的環(huán)境刺激做出像水生生物一樣的快速反應。近年來，隨著新型傳感技術的發(fā)展，閉環(huán)控制成為可能，有望提高仿生UUV的機動性。

4.3 其它方面

①在能源方面，太陽能電池、生物電池、壓電元件等新型電池不斷發(fā)展，使得水下機器人的續(xù)航、速度等方面性能有所提升。②在體積方面，電子元件小型化以及新材料的應用將降低機器人的尺寸與成本，提高其靈活性、更好地探索狹小空間，也為群體協(xié)作提供方便。③在智能化方面，計算機性能的提高將更好地創(chuàng)建強大的控制系統(tǒng)?；诃h(huán)境測量的控制系統(tǒng)將使機器人更具自主性，使其能夠根據(jù)周圍環(huán)境變化，自主規(guī)劃合理路線。

5 結語

水下機器人集成眾多先進檢測方法，多學科相互融合，能夠高效精確地進行檢測維修。但面對復雜嚴峻的水下作業(yè)任務，水下機器人技術仍是任重道遠。本文通過對水下機器人在基礎設施檢測、結構清污、救援打撈等應用領域的介紹，對續(xù)航、自治、通信等關鍵技術難題的總結，進而重點提出了通信、仿生、能源等熱門的研究方向。在未來，應提升水下機器人在這些關鍵領域的技術水平，從而使其在水利工程檢測維修中發(fā)揮更重要的作用。