水下机器人技术对于海洋资源勘探和自主操控至关重要，在下潜深度、航程等关键指标上取得了许多突破。由于水下环境复杂，最先进的传感技术无法满足水下观测的所有需求。为提高水下机器人自主作业能力，迫切需要发展水下传感技术。

传感器性能的优劣直接决定了移动机器人的性能，并起到至关重要的作用。近年来，水下机器人传感技术在海洋工程和海洋资源勘探领域受到了广泛关注。一方面，水下机器人需要感知环境，进行自主导航和避障，另一方面，水下机器人还依赖于传感技术的保障来执行各种实际应用的任务，例如水下目标检测、水下机器人抓取和水下高精度3D测量等。因此，水下机器人传感技术发挥着越来越重要的作用。

水下机器人现状

许多国家对水下机器人进行了长期研究。例如，美国军方设计了“蓝绪”自主水下航行器，它可以执行自主水下导航和目标检测，并在2014年搜索失踪的马来西亚航空公司MH370客机任务中发挥了重要作用。

俄罗斯设计了“和平1号”和“和平2号”水下机器人，这是世界上唯一一对能够进行水下协同探测的载人潜水器。德国开发了名为”深海C”的水下机器人，它是一种4000m的水下航行器，可以在深海中连续工作60h。法国开发了”VICTOR6000”，这是一种通过电缆操纵的水下机器人，可以获取高质量的水下光学图像。英国开发了全自动“Autosub6000”潜艇，该潜艇安装了电池和传感器，能够独立导航。

日本开发了一种深海水下机器人，名为”Kaiko”ROV，安装有各种水下传感器，该潜水器已经潜水296次。中国也对水下机器人进行了广泛的研究。例如，沈阳自动化研究所开发的“乾隆”和”海斗”水下机器人，这些机器人均配备了声呐、摄像机和灯光装置，已经完成了从海面到海床的不同深度的各种各样水下任务。中国船舶科学研究中心、沈阳自动化研究所开发了“蛟龙”号和“芬多哲”号载人水下潜艇用于深海勘探。此外，哈尔滨工程大学还开发了“橙鲨”和“海岭”等水下机器人，这些水下机器人通过安装各种水下传感器实现对水下环境的探测。中国科学院自动化研究所设计的”仿生海豚”水下机器人可实现在800m深的水下进行连续作业。

水下传感器应用现状

1.水声传感器

水声测距/成像传感器主要包括单波束声呐、侧扫声呐和多波束声呐。单波束声呐通过接收传感器所发出的短脉冲声信号波束，并根据行程时间对淹没物体的深度进行测量。侧扫声呐由控制单元、拖曳体、电缆和记录器等子模块组成，旨在详细对地形、地质及矿物信息进行测量，并可以执行对目标的搜索和跟踪。

多波束声呐是多个单波束声呐的组合，可通过行程时间获得水下目标的高精度方向和深度值信息。水声定位传感器可以对被测物体 (水下机器人)的位置进行测量。由于声呐可以对中远程水声图像的数据进行获取，因此，声呐被广泛用于水下目标的检测和跟踪。基于声呐的目标检测和跟踪是通过对采集数据的精确处理实现的，这种方法耗时且影响声呐传感器的性能。

2.水下电磁感应传感器

水下电场传感可使机器人在复杂的水下环境中进行通信，并有效避免声学多径效应。在南美洲电和非洲管鱼的启发下，研究人员开发了一种基于仿生电场的通信系统，可以在复杂的水下环境中进行有效通信。水下磁感应具有隐蔽性高、探测性能强、定位精度高等优点，因此，基于磁感应的水下传感器可以在复杂的水下环境条件下工作。例如，美国和加拿大海军在白令海峡周围的冰山上部署了电磁感应电极，并与卫星定位系统配合成功探测到苏联的“特雷萨拉”核潜艇。

3.水下仿生传感器

为了提高水下机器人的感知能力，基于仿生原理的触须传感器被研究人员开发并应用。侧线是鱼的一个感应器官，可以感知周围水流的变化，从而帮助鱼在黑暗条件下感知周围的环境。受此启发，人工侧线传感器被开发并应用于对实际环境的感知。触须是水下生物的重要感知器官，被用于识别、定位和跟踪猎物。受海豹触须的启发，研究人员开发了许多人造触须传感器，并在水下设备中获得应用。

在海洋结构物中，围绕圆柱形立管的支腿由于会引起结构的振动，给海洋工程带来了工程难题。通过对海豹的触须进行研究，将振动和仿生设计相结合，揭示圆柱形结构物周围流体流动的基本物理原理 (海豹的触须如何使它们能够感知环境)，设计出了水下流量传感器。安装在自主水下航行器 (AUV) 上的这种传感器可以有效地提高航行器的导航能力。

国产自主水下机器人实现深海勘探

深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，是人类社会谋求未来生存与发展的重要战略新疆域。深海矿产资源被认为是21世纪最重要的陆地矿产接替资源，作为人类尚未开发的宝地和高技术应用领域之一，已经成为各国的重要战略目标。自2001年起，我国陆续获得了包括多金属结核、多金属硫化物、富钴结壳等3种资源类型在内的5个大洋海底勘探合同区，成为资源种类最全、勘探合同区最多的国家之一，有效地拓展了国家战略资源的新来源。

随着这些矿区勘探合同的签订，高精度、高效的深海探测装备需求也随之出现。自主水下机器人作为一种可在水下长时间自主探测的无人无缆潜水器，是人们认识、开发、利用和保护海洋的高新技术手段。据了解，深海自主水下机器人通过搭载多种类的探测载荷，可进行海底地形地貌、地质结构、海底流场、海洋环境参数等大范围、全覆盖、高精度探测。但世界上具备这种能力的深海自主水下机器人为数不多，相关国家的技术还对我国封锁。

“潜龙”系列深海自主水下机器人是具有微地形地貌测量、海底照相、水体异常探测、磁力探测等功能的深海资源自主勘探系统，不仅填补了我国深海资源自主勘探的空白，还在某些性能指标上领先于国外的深海自主水下机器人，成为我国自主勘探深海资源的利器。以“潜龙三号”为例，科研人员放弃了传统的测距声纳，“因为海底石林视角小，测距声纳很难准确判断周围环境。”刘健介绍。

在实际海底作业过程中，“潜龙三号”用前视声纳感知前方障碍物，结合惯导系统，计算自己所处的位置，根据高度计感知的高度信息、深度计感知的深度信息，按照规定的航行路径航行，同时正确打开或关闭各个探测设备，在一片漆黑的深海自主“翻山越岭”。“潜龙三号”航行期间还可将其位置及工作状态等信息通过背部的声通信系统发送至母船。

多金属硫化物资源是海底热液活动的产物，海底热液区包括活动热液区与非活动热液区。温盐深仪、浊度仪、以及甲烷探测仪等水体传感设备仅能探测到活动热液区的水体异常，这些水体传感设备对于寻找价值更加巨大，但已经停止活动的热液区的多金属硫化物资源无能为力。

为此，“潜龙三号”在鱼尾巴处内置有磁力仪，这对多金属硫化物资源勘探格外重要。刘健表示：“针对热液沉淀会引起海底磁异常改变的特性，三分量磁力仪不仅能帮助发现活动热液区，而且还能帮助找到非活动热液区，成为多金属硫化物资源勘探重要设备。”

尽管“潜龙”系列每次都成功完成了任务，但布放和回收一直让人提心吊胆。“海上作业窗口期短暂，还存在很多不确定因素，这么贵的设备一旦出现意外，损失不可挽回。未来我们希望可以在海底建设基站，实现集群探测，让装备更好地服务于深海资源探测。”刘健说。据徐会希介绍，“潜龙四号”是中国大洋协会采购的产品化6000米自主水下机器人，是一款面向用户应用需求的定制化自主水下机器人产品，其主要技术指标较“潜龙一号”有较大幅度提升，可靠性更好。2020年，“潜龙四号”首次执行大洋调查任务。

目前，“潜龙三号”“潜龙四号”已经移交给应用单位。“潜龙一号”“潜龙二号”的升级改造已经接近尾声，升级完成后也将交付给应用单位。“潜龙”系列水下机器人的持续应用必将为我国的深海矿产资源调查做出更大的贡献。

“我们深刻地意识到，提高海洋资源开发能力是建设海洋强国的重要表征之一，作为肩负建设海洋强国使命与重任的海洋研究领域‘国家队’，我们将潜心研发，持续攻克水下机器人装备的核心关键技术，让智能化的装备更加高效能地服务于我国深海资源勘探。”沈阳自动化所副所长李硕表示。

文章来源： 叹为观史，蓝海长青智库，面包芯语