水下无人机成深海竞争的热土
在全国科技创新大会及中国科学院、中国工程院、中国科学技术协会的重要会议上，国家主席习近平强调了深海科研的重要性，并指出载人深潜、高铁、航母等工程技术成果为中国成为世界科技大国奠定了坚实基础。他特别提到，深海蕴藏着尚未被认知和开发的宝藏，需要我们掌握深海进入、探测和开发的关键技术。
水下无人机作为深海探索的重要装备，正受到全球海洋强国的广泛关注。那么，这一领域的发展现状究竟如何？我们又面临哪些挑战和问题？
水下无人机的最新应用与进展
水下无人机（UUV）是一种能在水下移动的装置，具备视觉和感知系统，可以通过遥控或自主操作完成水下任务。它们主要分为三类：有缆水下无人机（TUV）、遥控潜器（ROV）和无缆水下无人机（AUV）。从上世纪60年代开始，水下无人机技术已经经历了多代的演进。
应用领域的拓展
水下无人机自诞生以来，主要服务于民用和领域。在民用领域，它们被广泛应用于海洋资源的研究和开发、海洋环境监测、资源勘察、科学研究等。随着移动互联网的发展，水下无人机还催生了新的应用场景。例如，德国弗劳恩霍夫研究院开发的具有触觉系统的水下无人机，能够精确感知障碍物的状况。加拿大科学家开发的AQUA机器人，能够从沉船和暗礁处搜集数据。浙江大学在OI中国水下无人机大赛中获奖的“基于手机控制的水下直升机”，展现了水下无人机的创新应用。
在领域，水下无人机的研究也日益受到重视。它们能够以水面舰船或潜艇为基地，完成环境探测、目标识别、情报收集和数据通讯等任务，扩展了水面舰船或潜艇的作战空间。
关键问题及挑战
尽管水下无人机取得了显著的进展，但仍面临一系列问题和挑战。水下无人机的控制问题是一个难点。水下无人机的运动受到水动力的影响，控制系统需要解决零速时的“零增益、零阻尼”现象，以满足定点作业的要求。水下无人机的本体材料和技术也需要进一步提升。例如，在2014年一次深海探索中，潜水器的陶瓷层在数千米深的海中崩溃，这提醒我们还需要深入研究适合深海环境的材料和技术。除此之外，特殊环境下的作业、数据通信与传输、能源供应等问题也是未来研究的重点。
水下无人机的发展前景广阔，但也需要我们不断克服技术和工程上的挑战。随着科技的进步和研究的深入，相信我们一定能够开发出更先进的水下无人机，为深海探索和研究带来更多的可能性。从控制系统的视角来看，水下无人机（ROV）的底层机制有着共同的控制根基，其差异主要在于高级别的管理和操作策略。整个ROV控制系统的架构，从总体上可分为三大组成部分：
水上控制单元：这部分设备主要负责监控和操作水下载体，为其提供必要的动力，如同陆地上的指挥中心，对水下活动进行全方位的调度和指挥。
水下控制单元：此部分设备接收水上的指令，生成相应的运动命令，确保ROV能完成预设的任务。它们是ROV的“大脑”，解析指令并驱动ROV进行精确的动作。
连接纽带——脐带电缆：脐带电缆不仅是动力传输的通道，更是信息传递的高速公路。它承载着水面与水下之间的所有数据和指令，尽管有时它限制了ROV的活动范围，增加了成本，并在复杂环境中带来了安全风险，但它是实现ROV控制不可或缺的一环。
具体来看，ROV控制系统集成了航行控制、导航定位、信息采集、观察作业、设备控制以及水面支持等多个子系统。随着科技的进步，尤其是计算机、多媒体、虚拟现实等技术的融合，ROV的控制日益形象化和智能化。尽管如此，解脱电缆的束缚仍是各国专家的追求，这也推动了自治水下无人机（AUV）技术的发展。
谈及AUV的控制，它涵盖了许多领域的前沿技术，包括机器视觉、环境建模、决策规划等。AUV的控制类型主要分为两种：一种是预编程型，即根据预设程序执行任务；另一种是智能型，它能根据环境反馈动态调整状态，实现自适应和自主控制。
深水AUV的水面回收是一个尚未完全解决的问题。除了平静的内河和湖泊外，深海区的浪涌使得回收变得困难重重。对于深水AUV的回收，目前可行的方案主要是在50至100米的深度范围内进行。
再来看水下无人机的本体，主要包括潜水器、中继器、吊放系统以及观察作业设备等。潜水器作为运动和观察的工具载体，在水中实现三维空间的运动，并配备了多种传感器和电子设备。中继器则帮助潜水器快速准确地到达工作深度，并减少母船摇摆和电缆阻力对潜水器的影响。吊放系统负责投放和回收潜水器和中继器，而系缆则用于它们之间的连接和信息传输。
关于通信问题，与水下无人机通信直接相关的有两个系统：监视系统和监控系统。监视系统主要包括水下摄像机、成像声纳等设备，用于水下搜索和观察。这些设备通过特定的通信协议与水面进行信息交互，确保水上的操作人员能够实时了解水下的情况并对ROV进行远程操控。
总体而言，水下无人机控制系统是一个复杂而精细的工程系统，它集成了多种技术和设备，以实现精准的水下作业和操控。随着技术的不断进步和创新，我们对水下无人机的控制和操作能力将越来越强。本文将深入探讨水下无人机的运动控制和保障系统，以及相关的能源和技术问题。
水下无人机的运动控制和保障系统是一个高度复杂的集成体系，它依赖于一系列精密的传感设备来确保正常运行。这些设备包括深度计、高度计、方向罗盘以及采集温度、压力、电压和电流等的传感器。通过有线或无线方式，传感器采集的信息被传输和处理，为水下无人机的精准控制提供数据支持。水下通信手段目前主要依赖于水声和光纤。
水声通信是目前水下无人机的主要通信方式，其可靠通信速率为1200波特率。但通信时延是一个无法避免的问题，它取决于水声在水中来回一次所耗费的时间，当水深达到6000米时，传输时间就是8秒。如何在功率受限的情况下提高通信距离，成为了一个关键问题。随着通信距离的增大，水下无人机的作业范围也可以随之增大。
水听器系统是水下声学系统的重要组成部分，它使用RESONTC4013模块和ADI公司SHARC-21369来确定相对方向的水下声波发射器。水听器能够鉴别多个水下声波发射器，并在20-35kHz的频率范围内倾听和跟踪一个选择的频率。它为计算机和海拔信息提供精确的数据，对于导航到声波发射器的任务至关重要。
光纤在水下无人机的通信中也发挥着重要作用。它一般用于带缆的水下无人机TUV和ROV，由光端机（水面）、水下光端机、光缆组成。光纤通信具有数据率高的优点，但也有着工作距离和可操纵性的限制。
水下无人机的能源问题一直是限制其作业范围的主要因素。研究开发高比能的能源是长期努力的方向。燃料电池是一种可能的解决方案，未来可能使用可变半衰期的核燃料电池。在解决能源问题之前，可以通过回收装置作为中继站进行水下充电，利用两台AUV交替充电，实现水下无限期的作业。
新一代水下无人机的发展正在趋向混合化，结合ROV和AUV的优点。除了深度普遍在6000米、操纵控制系统采用大容量计算机、潜水器上的机械手采用多功能等共性特点外，还特别注意潜水器的小型化和提高其观察能力。AUV还需要不断提高其自治能力和生存能力，避免丢失这一无缆深潜器所面临的最大问题。
从关键技术发展来看，电池技术、精确定位技术、零可见度导航技术、材料技术以及作业技术是水下无人机的重要发展方向。其中，电池技术是水下无人机的核心问题之一，而精确定位技术和零可见度导航技术的发展将提高水下无人机的导航和作业能力。材料技术的发展将为水下无人机提供更强大的结构支持和浮力控制。而作业技术的发展将使水下无人机在海洋开发中发挥更大的作用，代替人完成各种水下作业。
水下无人机的运动控制和保障系统是一个复杂的集成体系，涉及到众多关键技术的问题。随着科技的不断进步，我们相信未来水下无人机将在海洋开发和研究中发挥越来越重要的作用。智能技术的潜力令人惊叹，尤其是当机器的智能逼近或超越人类的智能时，往往只出现在科幻电影中。现实告诉我们，机器拥有与人相当的智能甚至超过人类智能仍有一段距离。尽管如此，由人参与或半自主的水下无人机技术已经成为解决当前复杂水下作业的有效手段。它们为我们提供了更便捷、更安全的替代方案，以应对深海探索的挑战。
关于回收技术，水下无人机的吊放和回收作业常常受到海况条件的限制。这一环节成为制约水下无人机深入水下作业的关键因素。针对这一难题，科研人员正在积极寻求解决方案，以期实现水下无人机在各种环境下的稳定运行。
随着我们对海洋开发的迫切需求和技术不断进步，水下无人机将在未来的海洋探索中发挥越来越重要的作用。它们将在各种场景中发挥关键作用，满足我们日益增长的水下作业需求。
在今年的全国科技创新大会上，习近平总书记提出了中国深海战略的“三步曲”——深海进入、深海探测和深海开发。这一战略为我们探寻蓝色宝藏制定了清晰的路线图。在“十三五”规划纲要的指导下，我国将实施一系列重大工程及项目，旨在推动深海科技的发展。这包括建设深海空间站、发展深海探测装备和系统等项目。海洋国家实验室已制定了实现这一战略的详细计划。第一步是投放自主研发的深海智能浮标，并在关键区域构建实时立体多学科综合观测系统。第二步是利用载人潜器对重点海区进行全面考察，力求在重大前沿科学问题上取得创新突破。第三步是推动大洋钻探船的建设，实现深海与深地科学的协同发展。我们有信心并且期待着这一战略目标的实现，共同开启中国深海的全新篇章。