文|大核有料
编辑|大核有料
深海矿区蕴藏着极为丰富的战略金属、能源和生物资源，而资源调查、勘探是深海资源开采前的重要基础性工程。深海潜航器作为掌控深海矿产资源调查主导权的重要装备，是拓展深海调查能力、提升综合作业能力的重要手段。
深海潜航器主要分为无人水下机器人和载人潜水器2大类，而无人水下机器人又可细分为遥控式水下机器人（RemotelyOperatedVehicle，ROV）、自主式水下机器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）、水下滑翔机、水下拖曳系统等。
其中，ROV通过脐带缆传输信号和动力，可以实现小范围水下精细定点局部观察和采样作业，如采集生物和海底沉积物样品、布放小型海底观测站等，同时亦受脐带缆的制约，作业范围和航行灵活性受限。
AUV自带能源（电池），在确定水下航行路径后可按照自主程序完成大面积的搜索和调查活动作业，但其数据传输、自动化控制和导航都面临较多挑战。
深海自主/遥控式水下机器人（AutonomousandRemotely-operatedVehicle，ARV）融合了最新的ROV和AUV技术。
既能通过细微光纤进行信息交互并实现遥控作业，又可以切断光纤进行大面积水下探测或执行混合任务，其自主/遥控混合模式和探测作业一体化技术代表了可执行更复杂使命的第三代深海水下机器人的发展方向。
深海ARV可同时搭载光学、声学、水文调查传感器以及重力/磁力仪等，能为深海多金属结核、热液硫化物、冷泉和深海生物资源的调查等提供技术支撑。
作为新型的复合型水下机器人，ARV可以通过机械手和高清摄像机实现深海目标区域的可视化作业，其在深海资源调查中具有重要的科研和应用价值，也是当前国际水下机器人的研究热点。
那么深海深海ARV系统的应用，在海洋资源的调查中，该如何解决目前难题，并实现无人化的远程高效率协调作业呢？
«——【·深海ARV的系统·】——»
深海ARV系统兼具自主航行与远程遥控能力，可执行AUV的作业模式，开展自主航行探测，依靠其搭载的超短基线定位系统（Ultra-ShortBaseline，USBL）、惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）、多普勒计程仪（DopplerVelocityLog，DVL）等核心导航和声学调查设备，获取关键区域内高精度测深侧扫及浅地层剖面探测数据。
或在有缆遥控模式下，利用光纤微缆实时遥控，探测海底精细地形地貌、浅部地层结构、海底表面目标物，并对特定目标物进行取样；还能在自主/遥控混合模式下执行自主探测任务，通过光纤微缆实时传输现场作业信息，操控者可随时切换自主航行及实时远程遥控，高效灵活地完成作业任务。
深海ARV系统一般由水面支持系统、缆控系统和ARV潜器本体等组成。以6000米级「问海1号」ARV为例，下面简单介绍深海ARV的核心系统组成。
水面支持系统通过母船和作业团队对深海ARV的正常作业、释放和维护提供支持和保障，主要包括综合显控系统、甲板释放回收系统以及维护保障系统等。
综合显控系统主要通过多屏显示器对深海ARV的状态信息、导航信息、姿态信息和视频图像等进行实时显示和处理，并通过甲板遥控设备对水下设备进行遥控和下达作业指令。
甲板释放回收系统主要依靠母船的A型架、绞车、光电复合缆及其他辅助设备对ARV进行释放和回收。维护保障系统主要对ARV、水下调查设备和光电复合缆等常用设备进行日常维护、检修和测试等。
缆控系统主要通过水下声学通讯中继器连接母船与水下潜器。ARV的通讯中继器上端通过光电复合缆与水面综合显控系统相连。
在ROV模式时，通讯中继器的下端通过极细光纤与深海ARV相连，完成水面和水下信息的快速传输。而在AUV模式时，通讯中继器切断光纤，利用水下声学通讯装置与ARV进行信息交互。
深海ARV的潜器本体除自身的机械结构外，按照功能一般划分为：控制系统、导航系统、动力系统、通讯系统、能源系统、可视化作业系统以及搭载的多种声学探测传感器。
控制系统可自主执行使命或接收水面控制命令，与推进单元连接完成控制回路，与探测系统连接完成探测传感器的控制。
通过计算机结合航行控制单元、信息采集处理单元以及深度、姿态和水密监控系统实现对ARV的操控，可以保障ARV定向、定深、定高的完成巡线作业，也可以切换手操模式控制水下可视化作业系统进行遥控作业。
水下定位和导航信息是保证深海ARV安全布放、回收和有效完成任务的关键，也为ARV多场景动态测量、采集和传递信息提供了必不可少的空间位置参考。
ARV的导航系统主要包括长量程超短基线声学定位信标、惯性导航定位系统、声学多普勒计程仪、高度计、压力计、避碰声呐以及相关的辅助设备。
水下ARV的动力系统主要执行推进控制命令，完成水下机器人的精确运动控制，通过搭载的电池组动力能源，由尾部舵板上的2个主推进器提供推力，由艏部垂直和测向各2个槽道推进器保持潜器的平衡、升沉和转向。
作业系统又分为可视化作业系统和声学探测系统，主要包括：水下高清摄像机、机械手、取样工具、声学探测传感器以及根据任务需求搭载的下潜/上浮抛载装置。
深海ARV为了节省能源，通常利用下潜抛载实现负浮力的螺旋下潜，到达指定深度后释放下潜抛载，此时ARV为零浮力状态进行作业，完成作业任务后，通过抛弃上浮抛载实现正浮力的螺旋上浮。
除上述系统外，ARV还搭载了包括光端机、声学通讯系统等相应的通信装置，以及根据不同任务搭载的多种深海调查设备。
«——【·深海ARV关键技术·】——»
不同于传统的AUV和ROV水下机器人，深海ARV作业具有超远距离、混合控制及轻型作业的特点，其整体系统的设计需要特别考虑声学/光纤通讯，主动导航/被动跟踪，自主模式/远程遥控作业等因素。
除传统的耐压抗腐蚀材料、长距离动力传输技术、远程数据传输及航行控制等关键技术外，深水ARV还需额外关注微细光纤微缆传输技术、高密度电池技术以及自主/遥控混合控制等技术。
深海ARV主要应用的微细光纤缆传输系统由微细光纤缆线团、大功率光端机及光纤剪切机构组成。
「问海1号」ARV系统标配2个30km无轴内放线式微细光纤缆线团，分别安装于潜器与压坠器，单个线团输功率衰减约12dB，破断力80～120N。
目前ARV潜器理论最大通讯距离可达80km。通过ARV的通讯中继器管理近海面端光纤，提升了ARV光纤连续通信的稳定性，同时搭载其他声学设备，可实现与ARV的信息传输和定位。
由于ARV相较于AUV具备一定的作业能力，作业时的平均能耗也相对较高，因此，为提升ARV潜器的作业能力，需要开发耐低温、耐高压的高能量密度的能源电池组。
目前应用较为普遍的是磷酸铁锂电池与锂离子电池，前者具有良好的热稳定性与化学稳定性，安全性较高；后者则具有良好的能量密度及放电速率，但安全性不及前者。
「问海1号」ARV系统采用湿舱耐高压稳定性高的磷酸铁锂电池组，磷酸铁锂控制/动力电池组由1组控制电池组、1组动力电池组及专用充电机等组成。
控制电池和动力电池独立封装，充分提高安全性，优化能耗，减小推进干扰，分别为潜水器控制系统及动力系统提供DC48V及DC110V电源。电池组总容量24kWh，自主航行模式下可支撑潜器航行30h以上。
航行控制系统是ARV的重要组成部分，用于海底精细遥控作业、预编程自主路径规划、系统故障检测及应急处理，实现复杂海底地形条件下的稳定航行及传感器控制，是保证潜器安全运行的监控中心。
航行控制舱是控制系统核心，主要完成对载体所有设备开关的直接或间接控制，所有设备的直接或间接通信，所有控制指令的发布。
在航行控制舱内包含电源转换、电源分配、ARM核心板、避碰计算机、ARM控制辅助板、交换机、光端机等电路板。
控制程序模块分为4层，每层实现相对独立的逻辑功能：人机交互层主要完成操作员指令下达及潜水器状态反馈；使命层则实现依据使命任务生成行为指令，对系统发生的各种故障进行处理；行为层负责实现潜器的航向、航速、深度、高度等控制算法；执行层负责实现本系统所安装设备/传感器输入数据的读取解析和对它们的操控等。
未来随着AI技术的发展，ARV系统的智能化程度将不断提升，其在应对复杂海底环境及特殊工作任务的工作能力也将进一步提升。
«——【·深海ARV在地质资源调查中的主要应用·】——»
如图所示，ARV到达工作区域后，首先进行工作区域环境调查，包括全水深温盐深（CTD）及海底地形地貌探测，CTD数据主要用于核算ARV潜器浮力，地形地貌数据用于ARV航路规划。
准备阶段时，将压坠器置于潜器顶部，期间注意人员止荡，防止压坠器摇摆角度过大。
完成准备工作后ARV作业转入下潜阶段，入水后继续释放光电复合缆。
期间光纤压坠器与潜器同步下潜至目标区域，到达指定深度后，释放器脱钩，潜器和压坠器依靠重力分离，压坠器悬停于分离位置，潜器依靠重力继续下潜，下潜到近底时，抛掉下潜压铁，转入悬停阶段，等待作业指令。
ARV在自主模式下作业任务结束或出现故障后，潜器将自动执行抛载上浮程序，在有缆遥控模式下可手动执行抛载上浮程序。
潜器下潜任务结束后，切断光纤，抛掉上浮压载，开始上浮阶段，压坠器独立回收。
深海ARV的定点作业与负载拓展能力相对传统的重载ROV较弱，但其水面支持系统集成度高，对不同作业支持母船的适配性较好。可视化作业分系统是ARV的重要组成部分，用于完成采样、布放作业等任务。
深海ARV潜器坐底作业时，舱门开启后机械手伸出作业，照明主要由左舱门的门挂照明灯、航行照明灯及云台照明灯提供，云台照明灯可跟随云台调整角度，以上照明可以覆盖机械手作业范围。
机械手作业时，其高清摄像主要由云台相机完成，高清摄像可跟随云台多角度拍摄机械手作业，可实时直播并回传到操作中心，航行摄像及标清相机作为辅助摄像，为机械手提供多个视角，方便样品采集及回收落位。云台上激光尺可提供水下参照物的尺度。
如图所示，当ARV处于有缆遥控模式下，基于水面实时遥控航行，能够根据调查需求采集表层沉积物柱状样及海洋生物样品。
当ARV到达测线区域时，通过母船搭载的超短基线定位系统获得其自身的准确位置，ARV依靠声学通信和细微光纤进行通讯和数据传输，并按航行指令去往上线点。
「问海1号」ARV搭载的浅地层剖面仪和测深侧扫声呐采用Edgetech公司专门为潜器设计开发的2205系列，具有体积小、功耗低、集成度高、模块化配置的优点，其声学换能器在ARV上的分布如图所示。
其侧扫工作频率为230/540kHz，测深工作频率230kHz；浅地层剖面仪的工作频带2～16kHz，穿透能力6～80m，分辨率6～10cm。如图所示，「问海1号」ARV可在艏部搭载单独封装小型化重力仪。
重力仪的耐压舱采用顶部半球形、底部平端盖设计，通过固定支架与潜器框架固定连接。磁力仪电子舱安装在ARV内部，使用安装支架与潜器框架固定连接。
磁力仪探头支架通过法兰与潜器尾部预留机械接口连接，两部磁力仪探头分别架设在支架中段与末端。ARV进行水下重磁数据采集时，采用定高或定深模式按照规划测线实现近海底的高精度重磁测量。
在2022年3月22日−4月26日，「问海1号」ARV累计进行17个潜次任务，包括9个水下声学重磁同步测量作业航次，完成试验水下测线12条，共计190km。
ARV单潜次最大连续航行时间超过21h，最大航程45km，光纤微缆模式下最大航行距离为21km。
整个任务期间，「问海一号」ARV的控制系统、导航定位系统、能源推进系统等工作状态正常，潜器获得了近海底高精度的声学和重磁探测数据。
基于无人潜水器平台的重磁、地形地貌及浅部地层结构同步测量，是中国在海洋地质调查方法上的一次重要创新与突破。
而深海ARV能够有效支撑水下重磁测量系统稳定运行，实现对地球重力场磁场等信息的精细化测量，为海洋资源勘探和水下多物理场匹配导航研究提供有力的装备及技术方法支撑，具有重要的工程应用意义。
«——【·结语·】——»
目前，深海ARV的一系列设备多处于研发和试验阶段，其未来的发展依赖于水下能源技术、通讯技术、人工智能控制技术、一体化协同技术等，随着深海矿产资源的调查与开发战略需求的深入拓展，深海ARV在资源调查领域中将发挥越来越关键的作用。
深海调查领域作业范围继续拓展，网格更加精细，深海ARV作为一种新型的水下机器人，未来将主要应用于超深水、极地、海沟、等极端海洋环境下的水下探测。
随着深海ARV的耐压深度、能源系统、导航系统及避障系统不断的完善，其深海调查的作用范围将更加广泛。借助于极细光纤，可以灵活操纵ARV进行精细网格作业，获得更多高密度的近海底测量数据。
从目前发展趋势来看，深海ARV的功能越来越趋向于智能化、网络化和自主化。
结合最新的人工智能图像识别技术，深海ARV更加具有智能和自主作业能力，通过网络化的水声通讯和光纤微缆，将能够自主化的在复杂深海环境航行，具备在复杂环境中安全生存、精确探测和作业的能力。
