水下机器人在渔业中的应用现状

渔业环境监测与水生动物行为监视

渔业养殖水体环境的温度、浊度、溶氧量、pH值、非离子氨浓度以及亚硝酸盐浓度等关键因素，直接关系到水生动物的新陈代谢。为此，对水体环境质量的实时监测与调控变得至关重要。水生动物的行为与其环境状况紧密相连，对其进行跟踪拍摄与行为监视也是渔业观测的重要一环。传统的水下观测依赖于潜水员作业，但在深水环境下，这不仅困难重重，而且存在健康风险。科技为我们提供了新的解决方案。

传统的渔业水下观测受限于人力，当水深超过20米时，潜水员面临着胸闷、头晕等健康风险，长期作业更有可能患上减压病。而目前常用的浮标在线监测法，只能对固定点进行水质参数测定，难以实现水体的三维动态监测。幸运的是，水下机器人技术的崛起为我们带来了新的希望。

自主式水下机器人（AUV）在深远海渔业环境监测中发挥着越来越重要的作用。例如，美国Hydroid公司与伍兹霍尔海洋研究所研发的REMUS-100远程环境监测AUV，已经配合电子标签对棱皮龟、姥鲨进行跟踪监视，通过其传感器与视频流数据获取水生动物的行为及其栖息地信息。尽管REMUS-100的有效载荷较小，但其应用前景广阔。

与此德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会开发的CWolf型AUV，搭载模块化水质传感器组件，对挪威东部渔场附近海域的水质参数进行了实时监测。CWolf的有效载荷重达15kg，本体质量为135kg，尽管需要至少3人协作布放，但其强大的监测能力已经在实际应用中展现出巨大的潜力。

图 1：REMUS-100自主式水下机器人探索深海奥秘

当我们深入海洋的未知领域，自主式水下机器人成为了我们的得力助手。以REMUS-100为例，这款机器人如同海洋中的探索者，带我们领略水下世界的奇妙。它的每一部分都经过了精心设计和优化，展现出人类科技的无穷魅力。

图 2：CWolf自主式水下机器人与传感器组件的魅力展现

让我们继续深入了解另一款AUV——CWolf自主式水下机器人。它配备了一系列先进的传感器组件，这些组件能够捕捉到海洋深处的微妙变化。无论是微小的生物活动还是海底的地质变化，都无法逃脱它的监测。这使得我们能够更深入地了解海洋生态系统，为保护海洋环境提供有力支持。

潜入神秘的水下世界，让我们聚焦于几款令人惊叹的水下机器人。让我们欣赏一下图3中的Mesobot的三维模型。它的独特设计仿佛让人置身于科幻世界，而当它在水下穿梭时，更是如幽灵般存在。

Mesobot不仅外观炫酷，它的功能也十分强大。它能够跟踪水生动物，如图4所示，它的这一功能为海洋生态研究提供了极大的便利。

接下来，我们跳转到麻省理工学院（MIT）。这个科技巨头的研究人员，包括Vasilescu等人，研制了一款名为AMOUR V的圆柱形遥控式水下机器人（ROV），特别适用于近浅海和淡水渔业环境。这款机器人（如图5所示）通过精准调节浮力与总重力之间的平衡，实现了精准的悬停功能，其有效载荷变化范围更是达到了惊人的0至1公斤。

AMOUR V的设计充满了科技魅力，它的出现为近浅海和淡水渔业环境带来了前所未有的便利。无论是水下探索、科研考察，还是渔业生产，这款机器人都展现出了强大的潜力。

以上内容，旨在生动展示这几款水下机器人的特点和魅力，让我们期待它们在未来的更多精彩表现。针对近浅海网箱养殖密度高的问题，挪威科技大学的研究团队设计出了一款低成本的ROV（如图6所示）。这款ROV采用了三个小型螺旋桨推进器，能够实现横移、进退和偏航三个自由度的运动，对近浅海渔业的水下环境进行了多因子的感知。与此Huang等人也针对淡水渔业环境监测的需求，研制了一款适用于4至5米水深环境的ROV（如图7所示）。

图6展示了挪威科技大学研发的先进水下机器人技术。而在图7中，我们看到了一款专为淡水渔业环境监测设计的ROV。这两款机器人都为渔业生产带来了极大的便利。

探秘科技前沿：环境监测水下机器人的卓越表现

图8展示的是中国科学院自动化研究所研发的仿生水下机器人，它的设计灵感来源于自然界中的生物，展现了科技与自然完美融合的精髓。

图9呈现的是AQUA两栖监测机器人，这款机器人如同水中的精灵，无论是水中还是陆地，都能轻松完成监测任务，彰显出技术的双重魅力。

图10中的SoFi软体机器鱼，以其独特的3维模型引人瞩目，它的柔软身躯和灵活动作，仿佛让我们看到了水下世界的生动场景。

表1总结了当前国内外具有代表性、用于环境监测的水下机器人。它们不仅是科技的结晶，更是保护我们环境的得力助手。这些水下机器人各自拥有独特的优点和特色，无论是复杂的任务还是恶劣的环境，都能出色地完成监测任务，为我们的环境保护工作提供了极大的支持。

除了直接监测水质参数和监视水生动物，研究者们还巧妙地开发出一种特殊的水下机器人，它们能够模仿水生动物对特定水质参数的敏感反应，间接反映水质的状况。想象一下，佛罗伦萨大学的Ravalli团队与马德里理工大学的Rossi等专家联手研制的这款机器人，它专门用于水产养殖场所，对氢离子（H+）浓度极为敏感。这款机器人运用了形状记忆合金（SMA）执行器，它能将水质中的化学变化转化为驱动机器人运动的电信号。通过机器人不同的运动模式，我们可以捕捉到养殖环境中pH水平的变化。这是一个巧妙的设计，因为鱼类的行为变化与养殖环境息息相关，这为设计能预警水质异常的水下机器人提供了灵感，它们将成为智能渔场管理的得力助手。

让我们更深入地了解一个细节（如图11所示），这款氢离子敏感的水下机器人。它不仅是技术的结晶，更是对未来渔业管理的美好展望。

2.2.1 水下视觉系统在捕获领域的应用现状

在图12中展示了水下视觉系统如何辅助捕获。在初级阶段，该系统通过水下摄像机捕捉水生动物的尺寸与位置信息，并将这些数据反馈给控制系统。然后，系统以开环控制的方式驱动机械手进行捕获，或者由人工操作机械手来捕捉目标。

日本的岩手大学的Takagi及其团队，设计了一款能够计算鲍鱼尺寸的水下机器人。这款机器人能够将尺寸数据反馈给渔民，帮助他们做出捕捉或放生的决策。九州工业大学的Ahn及其团队则通过水下机器人获取水生动物的位置信息，并将这些信息反馈给操作者，以便他们通过遥控机械手进行精准抓取。

基于这种视觉系统的水下机器人的捕获自动化程度相对较低。在捕获过程中，仍然需要人力介入，无法自主捕获移动目标。

到了第三阶段的水下视觉系统，情况有所不同。这一阶段的系统具备了自学习能力，能够在机器人运动过程中获取周围水下环境和目标状态的信息，从而辅助控制系统对机器人进行实时调整。尽管目前达到这一水平的水下捕获机器人报道较少，但这是未来智能化捕获的重要发展方向。

对于大宗水产品或大范围内的水产品捕获，拖网方式仍然是最主要的方法。水下视觉系统在拖网捕获中也有其应用。有研究者利用水下机器视觉技术，针对鱿鱼的喷射游离行为改进了拖网设计。

水生动物捕获机器人的应用现状

随着现代机电系统的发展，水生动物捕获机器人的应用逐渐受到关注。当前，这些机器人主要的目标对象是鱼类和底栖型高价值海珍品。尽管拖网方式仍然是鱼类捕获的主要手段，但水下捕获机器人已经展现出在捕捉高附加值海珍品和用于科研探索生物方面的潜力。

水下机器人末端执行器的捕获动作形式，可以大致划分为包络抓取与精准抓握两种。根据不同的动力来源及材料，当前在渔业场景中已经出现了多种探索性的捕获方式。

通过开式链（图13(a)）、可变形连续体（图13(b)）、网笼状（图13(c)）和容器状结构（图13(d)），机器人可以实现对水生动物的接触式或非接触式的包络围拢。这种方式灵活多变，能够适应不同的水生动物。

电动机驱动的硬质材料，如金属（图13(e)）或塑料（图13(f)），可以对水生动物进行夹持抓握。这些材料抗压强度高，适合捕捉各种水生动物。

液压、气压驱动的柔性材料也可以实现对水生动物的包络和夹持（图13(g)）。这种方式结合了柔性材料的柔韧性和液压、气压的动力，既能保证捕获效率，又能减少对水生动物的伤害。

通过液压泵、气压泵制造压力差，实现对水生动物的吸纳（图13(h)）。这是一种创新的方式，能够应对各种复杂的水下环境，提高捕获效率。

随着技术的不断进步，水生动物捕获机器人的应用将越来越广泛，为渔业生产带来更大的便利和效益。这也将对水生生态的保护和恢复产生积极的影响。随着科技的进步，水生动物的捕捉方式也在不断地革新。传统的水下机器人大多采用刚性的机械手进行捕捉，如齿轮、铰链、连杆、钳和镊等，虽然有效，但这样的捕捉方式可能会对水生动物造成伤害。为了解决这个问题，研究者们开始探索更为柔和的捕捉方式。柔性抓手应运而生，它采用柔性材料制成，能够显著降低或消除捕捉过程中对水生动物的伤害。据文[27]报道，一种用于近浅海渔业环境的柔性抓手已经问世，这种柔性抓手可以安装在ROV上，实现对海珍品的高效、无损精准抓取。柔性抓手也存在一些挑战。它的抓取动作的重复定位精度和控制的稳健性较低，与水下机器人本体之间的耦合关系在水下环境中变得复杂多变。柔性抓手的灵活性往往是以牺牲载荷能力为代价的。如何提高柔性抓手的可靠性和载荷能力成为了未来研究的重要方向之一。

除了改进捕捉装置，研究者们还在刚性机械手中加入了力觉/力矩传感器、滑觉传感器等触觉反馈传感器或电流/电压反馈单元，以避免过大的抓取力对动物造成伤害。开发具有主动顺应性和被动顺应性的低惯性、自适应机械手也是满足水生动物无损抓取需求的重要方法。

相较于工业机器人，渔业场景下的机器人作业对象具有其独特性——它们会对周围的刺激做出反应，产生游离动作。目前大多数水下捕获机器人主要适用于捕获移动较为缓慢的底栖型水产品动物。这些机器人主要聚焦于高附加值的海珍品或水生动物的科学探索。

图14展现的是水下喷洗机器人，它在海洋渔业中扮演着网衣巡检的重要角色。在海洋捕捞和养殖过程中，网衣的健康状况至关重要。一旦网衣破损，不仅会造成经济损失，甚至可能引发生物入侵的严重后果。针对这一问题，水下机器人正在被研发用于清洗网箱网衣。

尽管这些水下机器人总体上仍处在理论设计阶段，但研究者们已经在一些关键领域取得了进展。国内的研究者已经开始对清洗网衣射流的喷嘴关键参数进行理论分析，为水下机器人利用高压旋转水射流清洗网衣提供了理论基础。为了实现在水下清洗作业中的平稳运动，研究者们提出了利用三角履带轮和射流反冲装置使机器人紧贴网箱行走的方法。还有研究者对使用螺旋桨与喷射水流的水下机器人进行水动力学平衡分析，并提供了计算水动力系数的方法，为建立完整的水下清洗机器人的水动力学模型提供了更快捷准确的方式。这些研究为水下机器人在实际的水下清洗作业中的应用提供了设计理论基础。

图15展示的是网衣巡检ROV，一种在工业化循环水养殖环境中维护的重要工具。在这个领域，清洁毛刷和水泵的接触式清刷方式仍为主流，相关的机器人大多还在实验室阶段。科技的进步让我们的生活更加智能和便捷。Koyama团队已经开发了一种轻质无缆束缚的自主式水下机器人，专门用于清除陆基水产养殖水箱底部的沉积物。这款机器人配备吸污螺旋桨，可以轻松将沉积物吸入集污箱中，其移动路径通过预先编程设定，大大提高了清洁效率。胡勇兵团队设计的鱼池清刷机器人则通过巧妙的螺旋路径规划，使得清洗面积平均覆盖率超过了惊人的85%。而Mahmud团队基于路线图算法设计的清洁机器人，更是将水箱底部清洁的效率与自主化程度推向了新的高度。

在自然湖泊的渔业环境维护中，挑战仍然存在。我国首个渔业水下清污机器人已在实践中投入使用，在新疆天蕴三文鱼养殖基地展现出强大的实用价值。我们必须正视其中的问题。目前渔业水下机器人在发展中面临多方面的挑战。首先是侵入性问题。现有的水下机器人在机动灵活性、低噪声和低流体扰动等方面仍需提升，以适应渔业环境的需求。它们应该尽可能地减少其对动物生长的干扰和影响。

弱可视条件下获取水下环境视觉信息是一大难题。机器视觉的应用通常需要理想的条件和环境，这在自然渔业环境中往往难以实现。受水流和非结构化复杂环境的影响，水下机器人的机动控制变得异常困难。它们难以保持平稳运动并准确到达目标区域展开作业。传感器在获取渔业生产和机器人位姿信息方面也存在困难。多因素干扰导致机载内、外部传感器无法满足渔业实际生产的智能需求。

针对上述问题，我们期待未来渔业水下机器人的技术和性能能得到进一步提升和创新。希望它们能够更好地适应各种环境，提高作业效率，减少对环境的干扰和对动物的惊扰。我们也期待机器视觉和传感器技术在这些领域的应用能够取得更大的突破和进展。这将为渔业生产带来更大的便利和效益，推动整个行业的进步和发展。本文是一篇关于《水下机器人在渔业中的应用现状与关键技术综述》的节选，原载于《机器人》杂志，由许裕良、杜江辉、雷泽宇、蔡雨嫣、叶章颖和韩志英等多位作者共同撰写。经过改编，以下是本文的生动呈现：

深蓝海域，蕴藏着无尽的奥秘与资源。随着科技的飞速发展，水下机器人逐渐走进人们的视野，成为渔业领域的一股新势力。今天，让我们一同领略水下机器人在渔业中的出色表现及其背后的关键技术。

水下机器人，在渔业中的应用愈发广泛。它们穿梭于浩渺的海底世界，协助渔民探索未知的海洋领域。这些智能机器人的应用不仅提高了渔业生产效率，还为海洋资源的保护与开发提供了新的手段。

在海洋捕捞方面，水下机器人能够深入海底，捕捉难以触及的鱼类资源。它们配备先进的摄像头和传感器，能够精准定位鱼群位置，实现高效捕捞。它们还能实时监测海洋环境数据，为渔民提供宝贵的决策依据。

在海洋生态研究方面，水下机器人发挥了重要作用。它们可以深入海底进行实地考察，收集海洋生物的样本数据，为海洋生态保护提供有力支持。这些机器人还能监测海洋污染情况，及时发现污染源，为海洋环境治理提供有效手段。

水下机器人在渔业中的出色表现离不开其关键技术。包括自主导航技术、智能识别技术、水下通信技术以及高性能电池技术等在内的关键技术，共同支撑着水下机器人在海底世界的自如行动与高效工作。

自主导航技术使得水下机器人能够在复杂的海洋环境中自主规划路径，实现精准定位。智能识别技术则让机器人能够识别鱼群、海底地形以及污染源等目标。水下通信技术保障了机器人与地面指挥中心的实时联系，实现数据传输与指令下达。而高性能电池技术则为机器人的长时间工作提供了源源不断的动力。

水下机器人在渔业领域的应用前景广阔。随着技术的不断进步与创新，它们将在未来的渔业生产中发挥更加重要的作用，助力人类探索深邃的海洋世界。以上内容摘自《机器人》杂志，转载请注明信息来源。