海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第二大空间，是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地，作为人类探索海洋和维护海洋权益的大国重器，深海潜水器DUV(Deepseaunderwatervehicle，DUV)将发挥着重要而不可替代的作用。深海潜水器是运载各种电子装置、机械设备和人员快速精确地到达各种深海环境，进行高效勘探、科学考察和开发作业的装备。
潜水器包括载人潜水器(HumanOccupiedVehicle，HOV)、无人潜水器(UnmannedUnderwaterVehicle，UUV)和其他深海勘查设备(如深海水下滑翔机和深海拖曳测绘系统等)三类。
其中无人潜水器又称水下机器人，按无人潜水器与母船之间有无电缆连接，又分为有缆摇控潜水器ＲOV(ＲemotelyOperatedVehicle)和无缆自治潜水器AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)。
有缆摇控潜水器ＲOV按其在水下运动方式不同，可将其分为浮游式无人潜水器，拖曳式无人潜水器，爬行式无人潜水器和附着式无人潜水器;无缆自治潜水器AUV按其智能程度，又可以分为预编程、监控型和完全智能型。
随着无人潜水器技术的发展，近些年又出现了一些新型无人潜水器，如自治—遥控混合型无人潜水器AＲV(Autonomous＆Ｒemotely-operatedVehicle)，它是将ＲOV和AUV的某些特性结合在一起的新型无人潜水器，通过光纤进行通信、自带电源，除去光纤可以作AUV使用，加上光纤又具有ＲOV功能。图1为深海潜水器分类关系图。
深海潜水器研究现状
（国内外）
1．1载人潜水器
作为国之重器的深海载人潜水器HOV，以其有人驾驶、近距离直接观察与操作的特性，已成为深海装备研究的热点之一，美国、法国、俄罗斯、日本和中国等纷纷加入到HOV研发之中，其中，法国的“鹦鹉螺号”HOV作业水深达米，已下潜多次;日本“深海”HOV已调查水深达米的海洋斜坡及大断层;美国“阿尔文号”HOV是世界上下潜次数最多、最为成熟的深海载人潜水器，目前正积极开发下潜深度米的“新阿尔文号”HOV;俄罗斯研制的“和平1号”、“和平2号”是世界上唯一一对可配合作业的载人潜水器;
中国船舶科学研究中心(即中国船舶重工集团公司第研究所)深海载人装备国家重点实验室研制的“蛟龙号”米级深海载人潜水器，是目前世界上下潜最深的载人潜水器，但“蛟龙号”HOV许多关键部件依赖进口，国产化率较低。年10月同样由中国船舶科学研究中心研制完成的米“深海勇士号”载人潜水器弥补了这一缺陷，其国产化率达到90%以上，“深海勇士”号的载人舱、浮力材料、深海锂电池、机械手、水声通信系统等都是自主研制，大大提高了海洋装备科技的国产化水平，也为中国未来全海深科考奠定坚实基础。表1给出了全球米深度以上载人潜水器型号与主要技术参数。
1．2无人潜水器
无人潜水器是一种能在水下浮游或在海底行走，具有观察能力和使用机械手或其他工具进行水下作业的装置。从机器人学的角度看，无人潜水器属于特种机器人范畴，在海洋工程界，无人潜水器通常也称为水下机器人(UnderwaterVehicle)。
1．2．1有缆遥控无人潜水器
70年代由于海上石油开采及*事等的需要，使ＲOV(Ｒemotelyoperatedvehicles)技术得到迅猛发展，并且渐渐形成了一个新的产业部门:ＲOV工业。大约在年，在观察型商业化的缆控无人潜水器:ＲCV-问世后，世界上有关ＲOV产品不断出现，典型的如日本KAIKO无人潜水器(图2(a))以及法国VICTOＲ无人潜水器(图2(b))等。目前，ＲOV型号已达几百种，全世界有超过家厂商提供各种型号的ＲOV和其零部件。ＲOV的最大下潜深度已经达到米，可以说ＲOV的工作范围几乎达到全部的海洋空间。
近些年，国外已有多种型号的缆控无人潜水器作为成熟的商业产品销往国内。如美国OUTLAND技术公司的OUTLAND，如图2(c)所示，它配备了各种传感器，如深度计﹑声纳系统、罗经等;4个推进器(2个进退推进器、1个横移推进器、1个潜浮推进器)及计算机视觉系统。采用框架式结构，为系统升级和加装各种附件提供了充足的空间。其主要性能如下:长宽高为65cm×37cm×26cm，重量约为17．7千克，最大潜水深度为米，航行速度为0～3节，可调负载为2．3千克。加拿大SEAMOＲ无人潜水器，如图2(d)所示，配备了深度计﹑高度计、声纳系统、罗经及计算机视觉系统等，4个推进器成对称排列，与水平面成近45度角，框架式结构，最大潜水深度为米，航行速度为0～3节，可调负载为3千克。英国FALCON和FALCONDＲ系列产品，如图2(e)所示，下潜深度达米至米，以FALCON为例，m耐压水深，8．5kg载荷，脐带缆最长m，可升级到米，5个磁耦合无刷直流推进器，水平面4个矢量推进器和1个垂直推进器，具有速率反馈功能，分布式智能控制系统，功能较齐全的传感器系统和多功能机械手等作业系统。法国ECAHYTEC公司HMKIIＲOV为浅水型ＲOV，如图2(f)所示，它的工作水深m，负载能力8kg，能搭载众多传感器，如:MicronDST扫描声纳，深度计﹑罗经及计算机视觉系统等;并配备功能强大5功能液压机械手BMHLK-4;4个磁耦合无刷直流推进器，最大推力达到17．3kg。
1．2．2自治无人潜水器
自治无人潜水器AUV(AutonomousUnderwaterVehicle)是将人工智能、自动控制、模式识别、信息融合与系统集成等技术应用于传统载体上，在与母船之间没有物理连接，无人驾驶的情况下，依靠自身携带的动力以及机器智能自主地完成复杂海洋环境中预定任务的机器人。
由于自治无人潜水器具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性能好等优点，所以从60年代中期起，工业界和*方开始对其发生兴趣。但是，由于当时技术上难度太大，这使得无缆自治无人潜水器研究在低水平上徘徊多年。70年代中期，微电子技术、计算机技术、人工智能技术及通信导航技术的迅速发展，再加上海洋工程和*事活动的需要，国外工业界和*方再次对自治无人潜水器发生兴趣。目前，美国是世界上AUV研究中心，也是世界上AUV研究机构最多的国家。仅美国海*主要研制无人潜水器的单位就包括:美国海*水下作战中心、美国海*研究局、美国海*海洋系统中心、美国海*空间和海战系统中心、美国国防高级研究计划局和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室、美国海*研究生院等。此外，还有华盛顿大学、美国麻省理工学院、WoodsHole海洋研究所、通用动力公司和雷声公司、洛克希德导弹和宇航公司、佩里技术公司等。另外，英国、德国、法国、瑞典、丹麦、挪威等许多欧洲国家在AUV研制与应用方面也有出色的表现。如德国海*研制一种用于反潜战的水下无人潜器———TCM/TAU鱼雷对抗系统。该系统主要由探测设备及信号处理装置、指挥控制装置、发射集装箱、4个铰接盖板和TAU效应器组成，能进行全方位的区域侦察，作战系统信号处理时间短、反应速度快;由于采用了模块化设计，该系统能很容易地装配到、级潜艇上。另外，德国公司开发的名为“深海”C(DeepC)的新型AUV，续航时间60小时，潜深达0m，直径1m，重约kg，他们在DeepC上使用许多新技术，包括碳纤维增强塑料、缩微燃料电池、长航时水下导航系统等。
图3(a)为美国麻省理工学院研制的OdysseyIV号AUV;图3(b)为美国WoodsHole海洋研究所研制的ABE号AUV;图3(c)为英国南安普顿海洋研究中心研制的鱼雷形状的AUTOSUB号AUV;图3(d)为法国Cybernextix公司研制的ALIVE号AUV。特别需要介绍的是美国“蓝鳍金枪鱼机器人”公司的“Bluefin-21”AUV在年搜寻马航MH失联客机过程中发挥了重要作用。它可以潜入水下米深处，在配置相关声呐后能以最高7．5厘米的分辨率搜寻水下物体，其标准参数为:长厘米、直径53厘米、重公斤，潜水深度米，最大航速4节(1节等于每小时1．千米)。在标准负载和3节航速下，其续航能力为25小时。它可根据需要装载多种探测设备，如千赫侧扫声呐系统等。图3(e)为“Bluefin-21”AUV。
近年来，伍兹霍尔研究所积极开发新型的深海潜水器，如海神号(Nereus)自治遥控混合型HＲOV无人深海潜水器，其工作水深达米，其在年5月于马里亚纳海沟完成米水深的下潜试验，可以覆盖地球上任意深度的海域。图3(f)为海神号HＲOV。令人惋惜的是，年5月10日海神号在探索新西兰克马德克海沟时，因深海水压故障而解体。
另外，前苏联于上世纪70年代就开始了AUV的研制工作，尽管冷战期受到西方技术封锁，缺少先进的电子和计算机技术设备，但前苏联在AUV的研制方面仍然取得了一定的成果并积累了相当丰富的经验。90年代中期建造的几个AUV就在太平洋、大西洋和挪威海域成功地进行了深海搜索和回收工作。前苏联在深海潜水器结构材料方面也取得了突出的研究成果，在钛合金加工制造和焊接方面居世界先进水平，国产“蛟龙号”米载人潜水器壳体就是采用苏制钛合金加工制造。此外，在发展复合材料、陶瓷材料方面也取得了很大成就，这些技术对其他国家发展AUV起到了促进作用。苏联解体后，这些优势主要被俄罗斯所继承。
目前，俄罗斯在国际市场上积极出售AUV产品和相应技术，中国和韩国就向俄罗斯购进了有关技术，并合作开展了AUV的研制。在亚洲，日本的无人潜水器技术也占有重要地位，主要用于地震预报和海洋开发(如:水下采矿、海底石油和天然气的开发等)方面，参与部门和机构包括日本科学技术中心、国际贸易工业部、运输部、建设部、机器人技术协会、日本深海技术协会等。另外，韩国Daewoo重工业公司的船舶海洋研究所同俄罗斯海洋研究所合作，共同研制了名为OKPL-的自治无人潜水器，形状像鱼雷，主要用于深海探测、搜索与观察海底沉没物体和科学研究。该AUV长3．8m，直径0．7m，重kg，最大工作深度m，最大巡航速度3kn，续航力10小时，动力采用银锌蓄电池，推进系统采用四个电动推进装置。OKPL-AUV已进行了多次深海考察试验，记录了大量的图像、视频资料和海底地图。
1．2．3国内深海潜水器研究
近几十年来，国内深海潜水器的研究已取得长足进步，主要围绕以下几个中心来进行。
一是以中科院沈阳自动化所为核心，由中船重工集团所、中科院声学所、哈尔滨工程大学等单位合作。沈阳自动化研究所通过建立机器人示范工程基地，已开发出多种型号的无人潜水器产品，应用于水下观测、海上作业、救捞工程、水下安保等。图4是上世纪90年代到21世纪初，中科院沈阳自动化所与俄罗斯合作，开发了CＲ01和CＲ02两套AUV系统，并进行了海试，但最终未投入实际应用。
图5(a)是中科院沈阳自动化所年12月自主研制的“潜龙一号”AUV，“潜龙一号”是一个长4．8米、宽0．8米的回转体。它可以在水下米处以2节的速度巡航，连续工作24小时，得到多次实际的深海作业应用;年12月在米级“潜龙一号”的基础上，针对多金属硫化物矿区需求，研制出“潜龙二号”AUV系统，如图5(b)所示，它在机动性、避碰能力、快速三维地形地貌成图、浮力材料国产化方面均有较大提高;年4月中科院沈阳自动化所进一步推出功能更加齐备、国产化率更高的“潜龙三号”AUV，如图5(c)所示，和“潜龙一号”和“潜龙二号”相比，“潜龙三号”展现了出色的稳定性和可靠性，各项技术指标都有新的突破，如最大续航力达到总航程千米，航行时间43小时，最大速度达到3节，并具备各类水下工作模式。
二是以上海交通大学为核心，联合浙江大学、青岛海洋化工研究院、同济大学和哈尔滨工程大学等单位，共同协作研制出多款无人遥控潜水器。图6是下潜深度达米的作业型“海龙号”ＲOV;图7是下潜深度达米的作业型“海马号”ＲOV，值得一提的是“海马号”米ＲOV系统是我国迄今为止工作水深和系统规模最大、国产化率达90%以上的无人遥控潜水器。项目在ＲOV本体结构、液压动力和推进、浮力材料、作业机械手和工具、导航定位、控制软硬件、升沉补偿装置、加工制造和总体集成等关键技术的国产化方面取得了重要突破，目前已完成米深海试验，并投入实际应用。
三是以中国船舶重工集团公司第七〇二研究所(中国船舶科学研究中心)为核心，以沈阳自动化所，浙江大学，中科院声学所，华中科技大学等为合作单位，主要是研制深海载人潜水器。年研制成功的潜深米载人潜水器(“蛟龙”号)，创造了世界上载人潜水器最深下潜记录，并通过了米海试实验和多次作业应用，现已交付国家深海基地管理中心(青岛鳌山)进行社会化营运，取得了举世瞩目的成就。图8为“蛟龙”号米载人潜水器海试情况;年6月中国船舶科学研究中心，再次研发出可靠性更高、国产化率达到90%以上的米级“深海勇士号”载人潜水器，目前，该潜水器已完成海试，并交付中科院三亚深海科学研究中心运营，图9为“深海勇士”号米载人潜水器。另外，以中国船舶科学研究中心为牵头单位的全海深(米)深海载人潜水器，也于年10月得到科技部重大研发计划的立项，预计年将进行全海深水下试验。
四是以哈尔滨工程大学为中心，由中国船舶重工集团所、所、华中科技大学等单位合作，研制出三型*用智能无人潜水器和用于各种特定功能的无人潜水器。另外国内不少高校及研究所也从事这一方面的研究，主要有西北工业大学、浙江大学、天津大学、哈尔滨工业大学﹑中科院自动化研究所、华中科技大学、中国海洋大学、上海海洋大学及上海海事大学等。
深海潜水器关键技术
由于深海环境极为复杂，潜水器自身的非线性、强耦合、有限载荷等影响，使得深海潜水器研发与应用极具挑战性。为了实现深海潜水器水下作业的可靠有效应用，首先需要突破深海潜水器的诸多关键技术，如水下环境感知与地图构建技术、水下路径规划与安全避障技术、水声通信与导航定位技术、水下轨迹跟踪控制技术、水下目标探测与识别技术、潜水器故障自诊断与容错控制技术及大规模水下搜索时的多潜水器协作搜救控制技术等。
2．1水下环境感知与地图构建技术
对潜水器水下作业来说，水下环境信息的获取与感知是其智能决策的前提，水下环境感知与地图构建对于深海潜水器水下作业来说至关重要。即如何应用潜水器自身携带的环境感知传感器识别出环境中的障碍物、自由航行区域，进而构建一有无障碍物的水下环境二维和三维离散地图。有此环境地图，潜水器就可以按照地图栅格的性质，规划水下航行路径，完成水下作业。
水下环境感知与地图构建包含两方面内容:一是如何选择合适的水下感知传感器，二是如何应用传感器获取的信息进行地图生成与更新。由于海洋环境复杂，获取水下目标信息的手段十分有限，目前水下目标探测的主要传感器有:微光TV、激光成像和声纳传感器。微光TV的图像清楚，但受海水能见度影响很大，总的来说可识别的距离太近，实际应用中难以满足要求;激光成像是在近几年发展起来的新方法，比较适合潜水器使用，其体积、重量和所需功耗都较小，成像质量远高于声学成像并类似于微光TV，作用距离比TV远，同时可提供较准确的距离信息，然而要满足对水下目标识别的要求，仍然有不少技术难关需攻克;声学传感器(声纳)在水中作用距离远，又有一定的分辨率，所以是目前水下环境感知与地图构建的主要传感器。对水下环境地图构建来说，目前主要采用水下传感器信息融合方法。
常见的方法可以分为3类:贝叶斯法(Bayes)、模糊逻辑和D-S(Dempster-Shafer)证据理论。贝叶斯法(Bayes)以概率密度函数为基础，综合水下传感器的各种信息，来描述水下环境的状态，进行障碍物与搜索区域分类，原理简单明了，Bayes方法主要不足在于:先验概率定义困难，需要对应的且互不相容的假设，缺少分配总的不确定性的能力;模糊逻辑方法是利用模糊集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解决障碍物与传感器信息之间的不确定关系，进而实现障碍物的检测，构建水下环境地图。这种方法计算简单，应用方便，结论明确直观。但在模糊逻辑融合方法中，构造隶属函数是实现模糊决策的前提，由于隶属函数是人为构造的，含有一定的主观因素;另外，对特征元素的选择也有一定的要求，如选择不合理，决策结果的准确性会下降，甚至造成地图构建失败。
D-S(Dempster-Shafer)证据理论是Dempster和Shafer在70年代提出的不确定信息处理方法，是对概率论的扩展。它建立了命题和集合之间的一一对应，把命题的不确定性问题转化为集合的不确定性问题，而证据理论处理的正是集合的不确定性。对于具有主观不确定性判断的多属性决策问题，D-S证据理论是一个融合主观不确定性信息的有效手段，也是目前水下环境地图构建的重要方法之一。
2．2水下导航与通信技术
2．2．1水下导航定位系统
导航系统功能是实时提供潜水器的位置、速度及姿态信息，也是潜水器水下作业的关键技术之一。潜水器导航系统，一般可以划分为一般导航和终端导航。一般导航是把潜水器引导到目标附近;终端导航是接近目标之后，能使潜水器的视野触及到局部感兴趣的海底目标。但由于深海潜水器非线性动力学特性及水介质的特殊性等因素的影响，实现深海潜水器的远距离及长时间、大范围内的精确导航是一项艰难的任务。目前主要的导航方式是:基于外部信号的非自主导航和基于传感器的自主导航。非自主导航:如罗兰、奥米加、GPS等。但罗兰、奥米加导航精度低、覆盖面积有限，而GPS是具有较高精度的导航设备，只是它为基于无线电的导航方式，由于电磁波在水中很快衰减，潜水器必须不断浮出水面接受导航信号，对深海潜水器来说在许多情况下是无法实现的，因此受到很大限制。
自主导航:靠潜水器自身携带的装备如惯性测量装置(IMU)、声换能器阵、地形匹配或地磁传感等手段完成导航。它分为惯性导航(Inertialnavigation)、声学导航(Acousticnavigation)和地理导航(Geophysicalnavigation)。惯性导航的基本原理是，根据加速度计与速率陀螺的测量值，用积分方法推算出位置，即所谓的航位推算法，位置的修正常用到卡尔曼滤波器(Kalmanfilter)和扩展卡尔曼滤波器(Extendedkalmanfilter)技术，前者针对线性系统，后者针对非线性系统，惯性导航系统目前尚缺少精确可靠的速度传感器，其在远距离作业中，由于累积误差的存在不够精确;随着声纳技术的进步，出现了声学导航技术，声学导航主要依靠母船、海底和潜水器上的声波发射器、水听器、水声应答器等设备，实现长基线定位航行(LBL:Longbaseline)、短基线定位航行(SBL:Shortbaseline)、超短基线定位航行(USBL:Ultra-shortbaseline)，通过标志物位置，结合声波在水中传输的速度与接受时间间隔计算定位深海潜水器的位置，声学导航定位有一定的定位精度，但它们受到定位距离与传感器安装网络的限制，一般来说，在深水环境中，长基线定位大约在10千米范围，超短基线定位在4千米左右。另外，地理导航也是目前研究较多的深海潜水器导航方法，它可分为地形导航和地磁导航，前者是根据潜水器作业环境的物理特征得到位置信息，后者是根据地磁场进行潜水器水下导航。
2．2．2潜水器水下通信技术
对潜水器与母船之间的通信技术来说，有缆无人潜水器可以用电缆进行信息传输，无缆潜水器的信息传输目前是通过水声通信实现的。由于无线电信号在水中传输会出现严重衰减，通常只能传播很短距离，如果要进行远距离传送，往往要求非常低的频率(30－Hz)，并且需要巨大天线和非常高的传输功率，这在水下环境中是无法实现的。
在迄今所熟知的各种能量形式中，虽然水下声波通信由于衰减小受到研究者普遍