0 引　言

随着国家海洋安全、海洋资源开发与海洋科学研究需求的不断攀升，对包括水下温度、盐度、海底地形环境、水下航行器物理特征在内的信息收集，或是热液、冷泉、海底生物的原位探测分析，都提出了长期、连续、稳定、原位等更高要求。作为立体化海洋观测网络的关键一环，无人潜航器不仅能够胜任上述复杂的作业要求，还在隐蔽性、作业范围等方面展现出显著优势^{[1 − 2]}。然而，受能源供给条件制约，若无人潜航器持续依赖自身动力系统调整位置与姿态，大幅度削减其续航时间，并可能因引入噪声及改变周围水流状态而干扰信息的精准收集。因此，对于无人潜航器，特别是自主性更强的自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicles，AUV）而言，实现水下长期驻留与作业的能力变得愈发迫切与重要。传统的锚泊装置大多为水面船舶及海洋工程设计，限制了其在无人潜航器任务场景中的使用。开发适用于无人潜航器的锚固技术成为目前相关研究的重要方向^[3]。

近年来，无人潜航器锚固装置的研究取得了显著进展，形成了多种技术途径，包括一次驻留技术和重复驻留技术。一次驻留技术主要通过简单的结构设计实现单次驻留任务，如传统锚、自锚定技术和抛载驻留技术。一次驻留技术难以使无人潜航器实现更灵活的任务模式，相比之下重复驻留技术通过可逆的锚固或着陆过程，能够多次完成航行—驻留—航行的转换，可适用于更复杂的任务场镜。

本文旨在综述基于图1所示分类框架的无人潜航器锚固技术的最新研究进展与发展趋势，分析比较各类技术的优缺点，并探讨未来可能的研究与应用方向。

1 一次驻留技术

一次驻留技术是通过简单可靠的机构实现UUV的单次海底定点驻留，仅能完成一个完整的“航行—驻留—航行”周期。其特点是在完成驻留任务后，锚固装置通常被弃置于海底，难以回收复用。该技术路径结构相对简单、成本低廉、动作可靠，适用于对成本敏感、无需回收锚体的单次任务场景。根据锚固原理的不同，主要可分为传统锚与自锚定/抛载式两类。

1.1 传统锚

无人潜航器使用重力锚^[4]或抓力锚通过锚链将自身停驻在海底是一种早期构想。该方法受锚雷启发，将回转体水下航行器整体设计为负浮力，释放携带在无人潜航器头尾2段的重物及锚链后无人潜航器主体转变为正浮力，在正浮力的作用下不触底，并可通过控制系统与垂推调整锚链长度与浮力，实现姿态控制。“驻留—航行”转换时，由锚链释放机构解除重力锚对航行器的定位束缚（见图2）。

此外，已应用在海洋工程的动力安装锚（Dynamically Installed Anchor，DIAs），也有称重力安装锚（Gravity Installed Anchor，GIAs）^[5]也具有在无人潜航器上用作驻留载荷的能力。目前该类锚主要有3类：鱼雷锚、深贯锚及多向受荷锚。动力安装锚通常呈火箭或鱼雷形状，是一种借助自身重力，由水面平台或水下航行器从距离海床一定高度投放，借助产生的动能贯入海床从而锚固的装置。以鱼雷锚为例，该类锚的贯入深度及锚固力的主要受到锚重、锚几何形状、径长比、水动力中心位置等锚自身属性、冲击速度及土壤特点的影响^[6]。国内外研究者通过比例模型现场试验、离心机试验与数值分析等方式建立了鱼雷锚贯入深度的模型^{[7 − 10]}，由于无人潜航器锚固时需要锚来对抗的浮力与洋流都较小，小尺寸的动力安装锚也可以满足具有浮力调节能力的水下潜航器锚固需求。

无人潜航器所使用的传统锚主要包括重力锚或抓力锚、动力安装锚。锚整体的结构都相对简单与成熟，在应用于无人潜航器前已大量应用于其他各类平台，对这类锚的设计与理论模型研究都较为完善，有利于在各类新型无人潜航器上快速转化应用。但同时这类锚由于在水下驻留后没有有效地手段拔锚，较难实现重复回收使用，限制了其在需要多次驻留-航行循环任务中的应用。

1.2 自锚定及抛载

自锚定及抛载技术不同于传统锚的驻留方式，是一种通过抛弃一部分原有结构使其成为类似于重力锚的机构，同时改变无人潜航器主体部分浮力的方式实现无人潜航器驻留。

自锚定（Self-mooring）技术是一种水下航行器到达任务区域后，将水下航行器自身的一部分分离释放，使其成为锚的驻留方式。在水下航行器分离释放部分沉向海底锚固稳定后，通过水下航行器2个部分间的锚缆将自身锚固在任务海区，并能够长时间、低能耗的执行预定任务。在任务完成后，水下航行器具有自主判断的能力，切断水下航行器本体部分与释放分离部分的锚缆，使水下航行器本体部分恢复自由航行能力，后续可返回指定回收地点或上浮通信。

Briggs等^{[11 − 12]}设计了一种基于回转体自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)改造的自锚定AUV，与原型相比增加载荷容量、作为锚的流线型假鼻、真空系统与释放系统。该设计利用航行器本体头部的真空系统将假鼻吸附在本体头部，当到达任务区域后，通过破坏真空使本体与假鼻分离，假鼻分离后挟带本体快速垂直下潜，最终锚固于海床。在任务结束后通过电化学腐蚀的方式切断假鼻与本体间的锚缆，本体得到释放并可执行后续任务。该型自锚定AUV先后再弗吉尼亚州克莱特湖与墨西哥湾进行了试验，其最大工作深度为500 m，最长锚定时间可达1年。

除回转体AUV的自锚定水下航行器外，Wilson^[13]设计了一种抗拖网自锚定自主水下航行器(Trawl-Resistant Self-Mooring Autonomous Underwater Vehicle, TRSMAUV)。该型自锚定水下航行器能够利用航行体释放分离部分将自身锚固在拖网渔业区，实现长期驻留作业（见图3）。该设计由进入航行器（Ingress Vehicle）和推出航行器（Egress Vehicle）这2个部分组成，进入航行器作为进入任务区域的非传统形状投放装置，由上下2个部分对称结构组成，设置推进与控制系统、一次性浮力调节装置、锚定前所需的能源以及上下2个部分中间包裹的推出航行器。推出航行器为回转体AUV，承载有效载荷与主要电子设备，具备所有导航与控制功能。该型TRSMAUV在进入任务区域后，释放气瓶调节浮力，使进入航行器螺旋下降接近海床后分离推出航行器的上下2个部分，具有抗拖网外形的进入航行器下部可锚固于海床。在任务结束后切断进入航行器与推出航行器间的线缆，通过浮力的差异分离两者，释放推出航行器执行后续任务。

抛载驻留技术同样为分离一部分结构实现“驻留—航行”状态转换的技术方式。天津大学张树新团队^{[14 − 15]}是国内早期开展可着陆水下航行器研究的团队。其开发了一种可变浮力自主水下航行器AUV-VBS (Autonomous Underwater Vehicle with Variable Buoyancy System)，该型AUV在底部设计了2个压载水舱，可作为时的支撑机构，也可防止长时间坐底导致航行器被掩埋。航行状态时AUV重力与浮力近似相等。在着陆时通过向压载水舱注水使重力大于浮力，并配合垂直推进器缓慢着陆。在返航时，抛载压水舱实现“驻留—航行”的状态转换。该型AUV可实现3个月的在位测量。Liu等^[16]和Zhang等^[17]在AUV-VBS的基础上优化改进，设计了Landing AUV Ⅱ可着落AUV。通过重新设计的可回收压水舱和抛载释放机构，替换了原型熔断抛载释放机构，释放动作响应更快，上浮更加可靠。

自锚定驻留与抛载驻留2种方式虽同为抛弃部分结构实现驻留，但不同点在于自锚定方式在驻留前分离结构，抛载为驻留结束后分离结构。2种驻留方式都会改变无人潜航器在驻留前后的结构外形，如抗拖网结构的自锚定技术可更好地应对情况复杂的近海、浅海地区，而抛载技术可更好地应对长期驻留时下部结构容易被掩埋的问题。但同时需要注意的是，2种驻留技术在结构分离前都可能会对部分位置的载荷产生遮挡，只能在分离后才可使用特定位置的载荷，一定程度上限制了某一阶段任务的使用场景。

2 重复驻留技术

重复驻留方式是指无人潜航器所携带的驻留装置能够根据任务需要，自主、可逆地实现多次“航行—驻留—航行”状态转换。该方式虽在潜航器及驻留载荷的结构设计上较为复杂，但由于可实现驻留载荷的完整回收，使得潜航器能够多次执行状态转换，从而适应更复杂、多样的任务场景。

2.1 有缆驻留

有缆驻留方式即锚与水下航行器间使用锚缆相互链接，在结束驻留时可通过卷扬机等设备将锚重新收回水下航行器内部。本节中主要对动力型鱼雷锚、吸力锚、仿生锚、爬行机器锚开展对比分析。

动力型鱼雷锚，外形与普通鱼雷锚类似，但内部安装有振动单元，可流化周围泥沙重新起锚。喻国良^[18]设计的动力型鱼雷锚安装时开启内部振动单元，通过高频机械振动使锚体附近的泥沙流化，减少贯入阻力，直至锚体贯入至预定深度时关闭振动单元。起锚时，开启振动单元流化锚体周围泥沙，从而大大减少拔锚阻力。实验时使用自重为72 kg，长为100 cm，直径为16 cm的动力型鱼雷锚，实验测得其未开启振动单元时起锚的垂向最大抗拉拔比可达44.4，开启振动单元起锚的最大抗拔力小于锚体重量的３倍^[19]。

吸力锚是一种相对成熟且可重复利用的锚固方式，可在各类水深使用，目前已用于海上钻井平台、海上风电、水产养殖构造物、海上太阳能电厂、水下设备及船舶等平台，技术相对成熟。吸力锚在安装时利用自重，将锚体贯入海床表面，随后通过水泵将锚体中的海水抽出，使锚体内部压力小于外部，利用压力差使锚体继续贯入海床，直至到达锚体的设计贯入深度。CELLULA Robotics公司开发了具有模块化和灵活架构的Solus系列AUV^[20]。该系列AUV从1.6T的Solus-Lite型至10T的Solus-XR型均可搭载吸力锚载荷。其中使用氢氧燃料电池的Solus-LR型（见图4）能够在使用吸力锚将自身锚固在任务区域后，以低功率、安静的状态下在水下执行数月的监视任务^[21]。

仿生锚也是重复驻留技术中的一种重要技术路线，其中RoboClam^[22]是一种极具代表性的技术，由麻省理工大学模仿大西洋剃刀蛤（Ensis directus）在海床挖掘方式设计的一种仿生挖掘机器人。Winter等^[23]对大西洋剃刀蛤的运动可以局部液化周围土壤的现象进行研究。当其收缩蛤壳时，会降低蛤壳和周围土壤之间的应力水平。在某个应力水平下，水平和垂直应力之间的不平衡会导致大西洋剃刀蛤附近的土壤失效。持续的蛤壳收缩会将土壤孔隙中的水吸入大西洋剃刀蛤，孔隙水与失效的土壤混合，形成局部流化区域。其团队结合大西洋剃刀蛤的挖掘方式、壳的收缩时间、挖掘性能和土壤局部液化的机制进行研究，并设计了气动活塞驱动末端执行器的RoboClam样机^{[24 − 26]}。通过实验证明了局部液化贯入的方法能够显著降低在海底嵌入刚性物体的能量消耗。RoboClam湿端体积较小，且可以用较少的能耗贯入到指定深度。但其使用气动末端执行器配套的气源等装置体积较大，气动装置在水下使用时也有一定限制，且与电驱末端执行器相比，也存在迟滞大、响应速度慢的缺点。图5(a)～图5(e)为RoboClam挖掘时末端执行器的运动，虚线表示深度基准。阴影区域显示预期的局部流化区域；图5(f)为末端执行器的爆炸视图。

除模仿蛤类生物的仿生装置外，还有一种模仿海草的重复驻留装置。Eldred^[27]发明了一种重复安装锚/天线系留装置(Resetting Anchor/Antenna Tether Mechanism，RAATM)用于无人潜航器在水下重复驻留（见图6）。RAATM 设计使用螺旋锚钉钻入海床实现驻留，为防止锚钉由于抓握力不足或无法抵抗系绳上的倾斜载荷而从沉积物中松动而导致失效的风险，增加了模仿海草设计的底部具有增强摩擦刷毛的半柔性根系。该装置原型被集成在一种沉船内部勘察航行器(Wreck Interior Exploration Vehicle, WIEVLE)的球形自主水下航行器内部。

爬行机器锚是可重复驻留中相对特殊的一种，该方式的锚体部分不会贯入海床中，只利用重力锚固住航行器，且在锚体部分着陆后还可以根据使用状态在小范围内调整位置。Pyo等^[29]提出了一种使用锚定位UUV的方法。该方法通过在UUV底部安装一个可分离、外形类似坦克的机器锚，并通过缆绳与UUV本体相链接。该机器锚可在海床爬行，着陆后可精确定位任务区域锚定，并释放UUV执行预定任务，任务完成后通过机器锚上的绞盘实现2个部分合体，并再次执行后续任务。

动力型鱼雷锚、吸力锚、仿生锚几类有缆驻留的锚体均会贯入海床下一定深度，与同样贯入海床的一次主流技术相比，上述几种技术可以通过振动或向海床内泵入海水等方式破坏锚固状态，减小与海床的摩擦力使锚体能够拔出并回收。这几种技术共同的优点也是可以利用海床摩擦力加大整体锚固能力的同时，还可回收锚体使其能够再次使用。也正因为其工作原理，对任务区域的海底环境有一定要求，在泥沙底有较好适应性，但难以工作在其他底质的海区。机器锚相对其他几类技术环境适应性更好，可工作在不同底质环境里，且着陆后还可以在一定范围内移动，但长期驻留后容易被掩埋，且没有脱困的手段。

2.2 无缆驻留

无缆驻留方式通常是水下航行器整体着陆，这类驻留方式主要使用可变浮力技术、垂直推进器或两者结合的方式，利用特殊结构将自身支撑或固定在海床上，在“驻留—航行”状态转换时执行与着陆相反动作脱离海床。

美国海军研究生院在最早提出了通过变浮力装置与辅助推进器使无人潜航器实现坐底长期执行任务的概念（见图7）。

Ridel等^[30]基于NPS Phoenix AUV设计了带有2个油缸、水平推进器与垂直推进器的低成本可变浮力水下航行器，通过模拟验证了该型AUV软着陆过程的有效性，有望降低在沿海环境中的电力消耗，提高任务时长。

为克服整体着陆的浮力调节无人潜航器长期驻留后易被海底泥沙掩埋的问题，其技术演进为采用支撑机构的新型海床驻留形式。宋保维等^{[4 - 31]}提出了一种液压支撑式海底驻留的方法，即在AUV的前后分别设置一个液压支撑段，每个液压支撑段可在海底驻留时通过液压机构释放出2个支撑杆。AUV首先在预定作业地点通过声呐寻找较为平坦的区域，在该区域航行到距离海底5m左右高度，通过垂直推进器辅助实现悬停，并伸出液压腿。随后压载水舱进水，使航行器负浮力增大实现着陆。在任务结束后，重新调整航行器为悬浮状态，在该状态下收回支撑杆后，可执行后续任务。液压支撑杆驻留航行器组成见图8。

徐健等^[32]发明了一种海底驻留的锚泊装置及方法，该装置由液压驱动臂、可收放锚杆和抓泥铲组成（见图9）。在航行过程中，抓泥铲等组件可贴合在航行体表面，不破坏航行体整体流线外形。在需要驻留时，由液压驱动臂驱动锚杆，使抓泥铲嵌入海床，实现驻留。驻留—航行转换时，收缩液压驱动臂，使抓泥铲从海床拔出，实现向自由航行状态转换。该嵌入式锚泊方式解决了液压支撑式和锚链式驻留会使UUV受到海流干扰漂离坐底位置的问题。

除上述整体着陆及利用支撑机构驻留的无人潜航器外，还有一种仿生驻留方式。Wang等^[33]受章鱼腕吸盘启发，设计了一种使用水凝胶吸盘粘附锚固的UUV。该型航行器底部以等边三角形排列布置了3组水凝胶吸盘阵列，每个吸盘阵列由6个吸盘构成，3组吸盘阵列的中心与航行器重心位置重合。通过实验表明，该型具备吸附能力的UUV在15 min监测中比悬停状态显著节省能量，监测时间延长293%。

变浮力与支撑/嵌入式驻留都有与之类似的一次驻留技术。本节中的变浮力驻留虽不需同一次驻留中的抛载技术一样，舍弃部分结构改变驻留状态，但在长时间驻留后容易被掩埋。支撑/嵌入式驻留通过对驻留机构的优化修改，解决了锚体长期驻留后容易被掩埋的问题，但需考虑在洋流方向与无人潜航器轴向方向不同时，是否会因为水平方向受力过大而倾倒的问题。吸盘型仿生吸盘不适用于传统外形的无人潜航器，且受限于可供吸附的底质，应用环境较少。

3 关键技术挑战与发展趋势

随着海洋观测与探测任务对长期性、原位性与隐蔽性要求的不断提升，发展可靠的水下驻留技术已成为拓展无人潜航器作业能力的核心环节之一。本文总结并对比分析了现有的驻留技术方案，各技术形式总结见表1。

当前，无人潜航器驻留技术的发展主要受制于以下关键技术挑战：

1）环境适应性与可靠性挑战。绝大多数贯入式锚固技术（如动力安装锚、吸力锚、鱼雷锚、仿生锚）其锚固性能高度依赖于任务海区的底质特性，在硬质、砾石或极端软泥底质上表现不佳甚至失效。整体着陆式锚固技术（如爬行机器锚、可变浮力）长期驻留面临的被泥沙掩埋的风险。而刚性连接式锚固技术（如支撑液压驻留、嵌入式支撑驻留、吸盘吸附）在复杂海流下的抗倾倒与抗漂移能力，是影响驻留可靠性的普遍性难题。

2）系统集成与平台适应性挑战。将驻留装置集成到空间和能源有限的无人潜航器平台上，面临航行体整体设计、驻留机构尺寸和平台所需锚固力等条件的约束。复杂的锚固机构（如振动单元、液压系统、气动源、绞车）如何实现小型化、提高可靠性并与无人潜航器本体良好兼容，是一项重大的工程设计挑战。

3）环境感知与智能决策挑战。实现安全、成功的人在环外下驻留要求系统具备更全面的感知能力与更智能的决策能力。这包括对海底地形的自主识别与着陆点选择、锚固状态的实时感知与判断、以及遭遇异常情况（如锚固失败、即将被掩埋）时的自主决策与应急解脱能力。这方面的感知、决策、执行的技术尚不成熟。

为应对上述挑战，无人潜航器驻留技术呈现出以下发展趋势：

1）模块化与任务适应性设计。为了满足日趋复杂的无人潜航器任务需求，重复驻留技术具有更好复杂任务适应性。但目前几类有一定研究基础的重复驻留技术都难以适应所有的平台与底质。通过模块化设计，将驻留系统设计为可灵活换装的任务载荷模块，使同一无人潜航器能根据任务海域的底质条件，选择最合适的驻留方案，极大提升平台的任务适应性。

2）小型化与复用化设计。为适应无人潜航器在空间与能源方面的严格限制，驻留装置需着力提升锚固力与尺寸/重量的比值，以紧凑的结构与轻量化的设计为平台提供可靠驻留能力。例如，吸力锚与仿生锚等依靠自身重量及与底质间摩擦力提供锚固力的方式，本身即具备结构紧凑的特点，有利于系统小型化。另一方面，可通过功能复用进一步提升系统集成度与价值，使无人潜航器整体小型化。例如，有缆驻留中的RAATM仿生锚固技术提出了将锚缆复用为水下射频通信天线的构想^[28]。在此基础上，也可进一步探索将锚缆复用为线列阵声声呐，支持驻留期间的声学探测任务，从而扩展平台功能，减少其它分系统的组成部件。

3）智能化设计。面对多数驻留技术对环境条件的敏感性，系统应具备自主感知与决策能力。通过复用平台已有声声呐、激光雷达等传感器，或为驻留机构专门配置专用传感器，使其能够自主识别适宜驻留区域，并在锚固后实时监测系统状态，从而实现智能化的驻留作业。除传感器外，水下建图、目标识别等技术也是重要发展方向。随着无人航行器硬件算力的提升，目前有多种基于声学、光学或声光融合的建图、地形恢复、目标识别算法被部署在了无人潜航器上^{[34 − 40]} ，后续可通过获取更多水下样本的方式，提高算法的准确度。