0 引　言

随着海洋事业及军事需求的飞速发展，人类在海上的活动增多，各国家为争夺海洋资源、获得有利战略位置、成为海洋强国，均在大力发展海洋技术^[1-2]，海上航运、科考、资源开发、军事武器研制以及航天海上发射回收等活动不新増加^[3]。然而伴随海洋开发区域的不断扩大，作业环境变得复杂恶劣，以及某些装备故障或人为因素导致海难事故频发，飞机、火箭、潜艇、鱼雷、船舶、水下机器人等设备会沉入深海海底，不仅带来物质损失，更严重的是危及人的生命安全^[4-7]。一些惨痛的教训使各个国家都认识到水下救援技术的重要性和迫切性，世界各主要海洋国家均建立了以救生艇为核心的援潜救生保障体系。相比于传统体系依赖潜水员的水下救生操作，水下机器人有着毋庸置疑的优势，其中遥控潜水器（ROV）凭借其耐腐蚀、抗高压、通过脐带缆连接能源充足，作业效率高强度大、且无需生命支持等优势，逐渐成为援潜救生体系中的重要装备^[8-9]。

1 ROV在援潜救生及深海打捞中的作用

ROV作为深海作业设备，在深海打捞活动中起着至关重要的作用^[10]。在以救生艇为核心的保障体系中，ROV可实现的作业任务包括：

1）对失事潜艇周围的海洋环境进行调查，了解地形、地貌、底质、海流以及失事潜艇海底姿态和破损等情况，确定安全的救援方案，降低不明环境下直接派遣深潜救生艇救援的危险性和盲目性；

2）排除失事潜艇周围障碍物，如爆炸物、海底碎片、网具、绳索、钢缆等，为深潜救生艇创造一个安全高效的作业环境；

3）协助深潜救生艇与失事潜艇进行对接，ROV可冲洗对口平台泥沙污物，进一步为深潜救生艇与失事潜艇进行对接创造条件，同时ROV在对接的过程中可为水面指挥员提供救生艇与失事潜艇对接情况的实时图像信息；

4）在深潜救生艇被绞缠或设备本身发生故障等异常情况时，ROV可对深潜救生艇实施救助，解脱绞缠，进行挂钩带缆等作业；

5）协助潜水员和其它装备完成接插供、排气管并输送食品及工具，为失事潜艇补充高压气、舱室通风换气、吹除主压载水舱、输送食品以及工具等^[11-13]。

2 国外援潜救生及深海打捞现状

当前，美国、英国、法国、俄罗斯、新加坡等国均有援潜救生系统^[14]，其中英国和美国在该领域的发展较为领先；北约国家援潜救生系统^[15]为英国、法国、挪威联合的国际潜艇救援系统。在这些国家或组织的潜艇援潜救生系统中，ROV为必不可少的援潜救生装备。许多公司和机构在研发用于援潜救生系统的ROV，表1列出了国外援潜救生ROV主要配置及指标。

2.1 美国援潜救生及深海打捞ROV现状

ROV作为美国较早的援潜救生装备之一，在20世纪60年代初，加利福尼亚州海军陆战队开发CURV系列ROV，图1(a)所示系列中的CURV-III在1973年成功救援出双鱼座III潜航器的船员^[16]；1976年CURV-III还被用于调查SS Edmund Fitzgerald的残骸^[17]。CURV-III作业深度为2300 m，其后代CURV-21作业深度达到了6100 m^[18]。

2006年，美国创立新一代援潜救生系统——SRDRS^[19]，图1(b)所示Super Scorpio ROV，成为新系统水下作业装备之一，最大下潜深度1500 m左右，配备携带5功能和7功能机械手各1套，可完成剪断厚直径达2.5 cm的钢缆的任务。

美国Phoenix公司致力于深海探索、海底工程维修和援潜救生等海洋任务。该公司的Remora III ROV如图1(c)所示，动力较大，可下潜至6000 m，2020年5月被用于支援加拿大打捞在希腊附近海域坠毁的加拿大CH-148直升机行动，成功打捞起飞机残骸^[20]。另外一款代表性的ROV为xBot®III，如图1(d)所示。具有占地面积小，机动性高和成本低的特点，可用于沉船内部狭窄空间等难以接近或危险的区域执行任务^[21]。

2.2 英国援潜救生及深海打捞ROV现状

英国援潜救生体系技术装备主要有救生船、LR7型深潜救生艇、Scorpio 45型ROV、失事潜艇减压装置等^[22]。Scorpio 45型ROV体型小巧灵便，配备7功能和5功能机械手各1套，同时配备最大切割直径7.1 cm的切割工具。2005年8月7日，Scorpio 45型ROV仅用4 h就成功解救了被困在海底3日之久的俄罗斯“AS-28”型小型潜艇。

英国Soil Machine Dynamics（简称SMD）公司长期从事援潜救生ROV品的研发，其生产的小巧、便捷的Atom ROV^[23]，在新型第3代潜艇救援系统中发挥着至关重要的作用，能够缩短首次干预的时间，保护海上生命并提高了全球潜艇安全标准。SMD公司制造的ZEUS-IROV被奥德赛公司购入，多次进行沉船打捞工作，其中具有代表性的为2013年7在爱尔兰西南海域4 700 m深处搜索到英国沉船，并配合吊篮打捞起118 t银锭^[24]。

2.3 其他国外援潜救生及深海打捞ROV现状

俄罗斯、日本、新加坡、荷兰等国均拥有援潜救生系统，其中具有代表性的有俄罗斯Igor Belousov援潜救生船配置的Panther plus型ROV，配置切割机械手、声学跟踪系统等工具和仪器^{[21, 25-27]}；荷兰smit公司制造的HD W-ROV，配备1个7功能机械手和1个5功能机械手，具有自动跟踪功能，2012年在北大西洋进行探索打捞，成功下潜到4700 m深海区域，发现1941年被鱼雷击沉的SS Gairsoppa号商船，并打捞出约48 t银锭以及数百件文物^[28]。

由于援潜救生技术复杂，投资较大，维护费高，而实际使用频率较低低，很多国家选择合作的方式，协作研发、维护援潜救生系统。如2004年6月，北约组织启动了新型的援潜救生系统NSRS^[15]的研制计划，于2008年投入使用^[17]，其中使用的是美国PERRY公司生产的TRITON SP ROV。

3 国内援潜救生及深海打捞现状

近年来，随着我国综合国力的提升，中国海军远洋任务增加，开始大力发展潜艇救援技术。在引进国外ROV装备援潜救生及深海打捞系统的同时，也开始了国产ROV的自主研发。

20世纪80年代末,我国自主研发了8A4 ROV用于援潜救生任务，在1993年通过了海试，工作深度为600 m，活动范围为150 m，装备了负责固定的5功能机械手和配有6种作业工具的6功能机械手。

我国在大深度ROV方面也开展了研制工作，可用于深海援潜救生与打捞任务。图2(a)所示的“海马”号是我国自主研制的首台4500 米级ROV，最大功率130 HP，最大作业海况4级；配备2个机械手，有效载荷260 kg。可以携带采样篮底盘或海底观测网布缆底盘，具有海底搜寻、水下观察、数据记录等功能，提供多种作业工具接口^[34]。由中国科学院沈阳自动化研究所自主研制的“海星”6000 ROV是我国首台6000 米级ROV，如图2(b)所示。具备高清晰度视频传输、精确的动态定位和操作技术，配备了自主研制的机械手、多个可扩展海洋科学传感器，能够满足援潜救生和在深海极端环境进行打捞的多种需求^[34-36]。

4 援潜救生及深海打捞ROV关键技术总结与展望

随着海洋领域中援潜救生及深海打捞需求的日益增长，作业任务复杂程度的增加对ROV的综合能力提出更高的要求，其中需要研究和解决的关键技术主要包括：ROV与机械手整体高动态灵巧性优化设计方法；ROV与机械手整体协调运动控制技术；ROV与机械手不同深度环境下的运动一致性；援潜救生及深海打捞ROV的人机协作技术；基于声光信息融合的高精度水下目标定位方法与专用作业工具的设计及高效作业方法。

4.1 ROV与机械手整体高动态灵巧性优化设计方法

相对于ROV在海上石油平台等结构化目标场景下的作业任务，水下援潜救生及深海打捞要求ROV有更高的动态灵巧性。但目前还没有形成一种成熟的ROV与机械手整体灵巧性评估方法，也缺乏以灵巧性为优化目标的系统设计方法。以ROV与机械手整体运动学和动力学模型为基础，构建一种评估系统灵巧性的指标，并以该指标作为目标优化函数，对系统的设计过程进行多目标优化是解决该问题的有效方法。

4.2 ROV与机械手整体协调运动控制技术

援潜救生及深海打捞过程中，对作业的精度有较高要求。ROV在执行相关任务时，一般处于悬浮动力定位的状态，ROV本体与机械手之间存在强运动耦合，导致机械手难以保证末端执行器的作业轨迹精度。目前，大多数ROV本体与机械手的运动控制是相互独立的，通过设计整体的协调运动控制方法是解决上述问题的有效途径。整体协调运动控制技术可以充分发挥系统的运动冗余和信息共享特点，有效补偿外界或自身运动耦合干扰，提高末端执行器的运动控制精度。

4.3 ROV与机械手不同深度环境下的运动一致性

随着深海ROV装备技术的发展，水下援潜救生及打捞作业逐渐由浅海向深海延伸。国际上已出现多次深海打捞的案例。随着水下深度的增加，水下压力、温度和密度等环境参数发生改变，导致ROV的动力学特性发生改变。如果控制策略没有很好的适应性，不能对动力学特性的改变进行修正，ROV在水下不同深度表现出不同的运动特性。这样的变化给操作员带来额外的负担，所以在深海援潜救生及打捞ROV研制过程中需要考虑控制技术在不同深度环境下的适应性。

4.4 援潜救生及深海打捞ROV的人机协作技术

传统ROV的运动完全由母船上的操作员控制，操作员通过操作杆和按钮直接控制ROV和机械手在水下运动，并通过监控系统观察动作执行情况。在援潜救生及深海打捞过程中，需要ROV在悬浮状态下利用机械手精确执行相关操作，这给操作员带来较大的难度和心里负担。针对这种任务和目标相对明确的水下操作过程，可通过提高ROV和机械手的自主性来改变人机交互模式。操作员只需发送简单的指令，以及监控任务的执行情况。在人机协作过程中，人员由传统的操作角色转变为监督角色，可以有效降低操作员的负担，并提高作业效率。

提高ROV与机械手在援潜救生及深海打捞任务中的自主性，涉及的主要关键技术是冗余自由度的协调运动规划方法。针对该任务而言，一般ROV和机械手的自由度是过量冗余的。如何分配执行任务过程中ROV本体和机械手剩余自由度的运动，以实现高精度、高效率和高安全性的协调运动规划方法是重要研究内容。

4.5 基于声光信息融合的高精度水下目标定位方法

ROV在水下靠近和接触目标物过程中，需要目标物的位置和轮廓信息作为引导。基于视觉和声呐等多传感器信息融合，研究环境快速场景重建与目标检测、目标近距离定位与姿态感知等技术，实时提取关键环境与目标物信息，为未知复杂环境下援潜救生及深海打捞提供全局场景感知与局部对象理解。利用强化学习与深度学习方法研究多传感器信息融合与弱对比度水下目标物信息提取，是解决水下未知复杂环境与目标物实时高精度场景感知的有效方法。

4.6 专用作业工具的设计及高效作业方法

对于援潜救生及深海打捞任务来说，时间是非常宝贵的。由于在援潜救生及深海打捞任务中，操作目标和任务提前已知，比如缠绕切割、空气管对接和黑盒打捞等。通过对这些水下任务的过程和特点进行分析，可以设计针对性的专用作业工具并设计合理的作业方法，以提高任务的执行效率。专用作业工具的设计可以是直接集成在ROV本体上的，也可以利用机械手来操作。

5 结　语

ROV是世界各国援潜救生体系中的重要组成装备，在援潜救生及深海打捞方面发挥着重要作用。与国际援潜救生体系中的ROV装备相比，我国援潜救生ROV的数量还相对较少，作业深度也相对较浅。目前我国在相关装备的研制方面，主要集中在高校和科研院所，没有形成自产自用的市场环境。随着国际海洋军事和其他海洋活动的逐渐扩展，援潜救生及深海打捞必将得到世界各国的进一步重视和发展。借鉴我国谱系化水下装备发展的相关技术，结合现代自主能力和智能水平的发展现状，深入研究援潜救生及深海打捞ROV的关键技术，对我国在相关方面保障能力的提升有重要意义。