1.5 履带式深海探测装备

为满足在复杂海底环境强适应性移动探测和海底稳定驻留作业的需求，履带式深海探测装备成为了当前海底科考作业的重要工具。履带式深海探测装备突破了传统水下机器人的浮游作业方式，将稳定的履带底盘与传统水下机器人技术相结合，是一种新概念海底探测装备，其接地比压小且行走稳定，在复杂海底环境中有较强的通过性和适应性。另外，稳定着底的工作方式，使其无须消耗大量能源即可实现定期休眠与唤醒，且可搭载更多科考设备与工具开展深海海底的多任务作业。

1.5.1 履带式深海探测装备发展现状

截至目前，全球各海洋大国对履带式深海探测装备已有一定研究。在“海沟号”遥控水下机器人丢失之后，为继续进行全海深海底科考作业，日本海洋科技中心于2005年研制了一款万米级海底履带式爬行机器人ABISMO（Automatic Bottom Inspection and Sampling Mobile），可用于深海海底的观测与作业。ABISMO使用了“海沟号”的中继器，通过二次缆在中继器与履带机器人之间进行信息和能源传输。因此，ABISMO本质上属于遥控履带式水下机器人。ABISMO的外形和作业模式如图1-16所示，其长宽高分别为1.2 m、1.3 m、1.5 m，空气中质量为327 kg，水中质量为97 kg，负载能力为5 kg，其通过2台功率为400 W的电机驱动两侧履带，同时还安装有6台功率为400 W的推进器，能够在海底以约50 m/min的速度前进。在随中继器一起下潜至目标深度后，中继器将在距海底一定高度处保持悬停，ABISMO与中继器通过长约160 m的光电复合缆保持连接。它是目前唯一曾下潜至11 000 m深度的履带式深海探测装备，但因其作业模式仍属于遥控模式，所以在海底的活动范围受到很大限制，并且作业过程中对母船的依赖较大。

2006年，美国蒙特利湾海洋研究所研制了一款6 000 m级履带式水下机器人Benthic Rover，如图1-17所示，其长宽高分别为2.6 m、1.7 m、1.5 m，空气中质量为1 136 kg，水中质量为68 kg，负载能力为113 kg。为减少运动过程中对海底的扰动，其履带设计宽度为46 cm，前进速度为0.02 m/s。Benthic Rover主要用于获取高分辨率的海底生物图像，通过观测沉积物中生物群落季节性耗氧情况，帮助海洋生物学家研究底栖生物的分布特征与海底环境的耦合关系。

Benthic Rover有两种工作模式。第一种工作模式是单体模式，依靠自身携带的锂离子电池完成长达6个月的海底科考任务。在这种模式下，Benthic Rover可以利用自带的声学模块向科考母船发送自己的位置和运行状态信息，并且可以接收水面操作人员下发的指令，完成多种任务模式之间的切换。该模式于2006年在美国蒙特利湾进行了海试实验。第二种工作模式是连网模式，在该模式下，Benthic Rover通过300 m长的光电复合缆与MARS（Monterey Accelerated Research System）海底观测网连接，实现数据传输和能源供给，以开展长期海底探测任务。该模式在2009年进行了2次试验，并成功连接MARS海底观测网接驳盒。

2009年，德国不来梅雅各布大学针对布置在加拿大附近海底的NEPTUNE（North-East Pacific Time-series Undersea Networked Experiments）海底观测网的应用需求，设计并开发了一款可长期在6 000 m海底开展科学探测与考察的履带式爬行机器人Wally。Wally主要通过光电复合缆与NEPTUNE海底观测网的接驳盒进行信息和能源交互。科研人员可以从位于德国的实验室连接NEPTUNE网络，对Wally进行远程控制，并实时获取海底观测数据。如图1-18所示，Wally主体长宽高分别为1.3 m、1.06 m、0.89 m，空气中质量为355 kg，水中质量为40 kg，在硬质海底爬行时额定负载可达120 kg。Wally采用双履带底盘，以2个600 W带减速器的直流无刷电机作为动力组件。为满足在海底松软底质上行驶的需求，Wally履带接地面积设计为0.35 m ² ，同时，为减少运动过程对海底的扰动，其设计时速仅为0.02 m/s，以提高在海底工作的稳定性。由于Wally在海底工作的过程中，光电复合缆可能会对其自身运动和海底环境产生干扰，因此在光电复合缆上安装了均匀分散捆绑的浮力球，使其保持微正浮力状态。Wally可以通过NEPTUNE海底观测网充电，可长期在海底执行任务。但由于受光电复合缆长度的限制，Wally的活动范围仅能覆盖接驳盒附近区域，无法完成大范围移动科考任务。

在成功研制Wally之后，德国亥姆霍兹联合会于2012年10月联合16家从事空间探测和海洋研究的科研机构发起了ROBEX（Robotic Exploration of Extreme Environments）研究计划，针对极限深海探测研制了3款适用于不同场合的履带式水下机器人，分别为TRAMPER、VIATOR和iWally，如图1-19所示。

TRAMPER是德国ROBEX研究计划中的一款6 000 m级自主履带式水下机器人，由德国亥姆霍兹极地与海洋研究中心阿尔弗雷德·韦格纳极地研究所研制，主要用于北极海底沉积物氧消耗年循环情况观测。TRAMPER的长宽高分别为1.5 m、1.2 m、1.3 m，空气中质量为653 kg，水中质量为20 kg，在海底可完成长达1年的探测，其间将被唤醒工作52次，每次移动距离约15 m。TRAMPER的机械结构主要由5个部分组成，分别是履带底盘组件、动力能源组件、主框架组件、抛载和通信组件及科学载荷组件。为防止长期在深海工作可能带来的腐蚀破坏，其主框架和电子舱体采用钛合金材料。TRAMPER在布放时需通过水面支持母船上的绞车辅助吊放至海底，图1-20为TRAMPER在母船甲板和辅助布放下潜的场景。

德国ROBEX计划中的VIATOR履带式水下机器人由莱布尼兹海洋科学研究院研制。VIATOR是一种子母式履带水下机器人，需要与名为MANSIO的深海着陆器协同工作。VIATOR在作业过程中需要预先被放置在着陆器MANSIO内部，在通过无动力下潜到达海底后，由着陆器MANSIO释放出来进行探测作业，完成作业任务后返回着陆器MANSIO内部，共同回收。MANSIO VIATOR 的具体结构如图1-21所示。

相比于Wally履带式水下机器人，ROBEX计划中的iWally配备了全新的高清摄像机和新型甲烷传感器，能够在深海环境中实现沉积物甲烷溢出和局部视景的3D重建等功能。与此同时，iWally能够结合预先布放在海底的标记板完成自主避障和自主返航等功能。在iWally的艏部设计安装多功能机械手，能使其在强大的视觉引导作用下实现自主取样作业等功能。

目前，中国针对深海探测类爬行机器人的研制工作刚刚开启。中国科学院深海科学与工程研究所和中国科学院沈阳自动化研究所联合国内几家科研机构共同研发的“鹿岭号”深海多点位着陆器与“漫游者”潜水器系统（图1-22），集着陆器、遥控潜水器和履带爬行机器人等深海装备技术优势于一体，于2020年11月完成了3 252 m深海多个点位试验，为我国深海海底区域精细探测作业提供了一种新型装备和技术手段。这是一种浮游/爬行双模新型ROV，着陆器携带“漫游者”潜水器到达海底进行多点位精细探测作业，即“漫游者”从着陆器内被释放出来，在海底区域浮游或者爬行移动，经光电复合缆与着陆器进行数据和能源的交换。此外，它还可结合声学和光学引导实现自主回坞和无线充电等，同时，深海科考数据还可经微细光纤传回水面浮标系统，通过无线通信与母船建立连接，实现水面、水下信息的实时交互。

中国科学院深海科学与工程研究所自主式深海着陆车团队（著者团队）在国内率先开展具有自主功能的深海着陆车的研制工作。为满足在复杂海底环境大范围强适应性移动探测和海底稳定驻留作业的需求，自主式深海着陆车具有广域范围内（至少10 km）多点位置序列连续移动探测和局域范围内连续时间序列（6个月）的长期海底观测等功能，具备自主和遥控2种控制方式，可利用声学通信和光纤通信实现深海着陆车本体与科考母船之间的信息交互，完成科考任务后可实现主动自主抛载上浮或被动声学抛载上浮，是一种自主能力较强的海底移动科考平台。

目前，中国科学院深海科学与工程研究所研制的自主式深海着陆车样机已经完成了水池系统测试、水池功能测试（图1-23a、图1-23b）和多个航次的南海海上测试。2023年4月和6月，其分别在东锣岛和南海海马冷泉附近进行了多次科考测试，利用其所搭载的多参数传感器获取了海底海流、浊度、叶绿素、pH值和温盐深等多种海洋参数；2023年9月在南海4 000 m级海域完成了大于10 km的海底连续位置序列的自主爬行运动，同时利用所配备的高清摄像机获取了大量深海底栖生物和海底地形等影像（图1-23c、图1-23d）。

1.5.2 履带式深海探测装备作业方式

目前，国内外针对履带式深海探测装备的研究整体上还处于起步阶段，仅能够满足特定科考任务和研究需求，其综合性和拓展性作业能力有待加强。按照其物理连接和布放方式的不同，现有科考型履带式深海探测装备的工作模式可以分为基站式作业型、子母式作业型和独立式作业型三种。基站式作业型一般以海底观测网为能源和数据交互的中心基站，布放、回收相对独立，如美国的Benthic Rover和德国的Wally。子母式作业型一般以传统深海装备为辅助载体，组成子母体共同下潜至海底目标深度，然后放出探测装备子体，对海底开展联合作业，回收时探测装备子体先返回母体，最后进行抛载，实现共同上浮和回收，如日本的ABISMO、德国的VIATOR和我国的“漫游者”。独立式作业型在海底工作时不依赖其他装备，具备完全海底自主科考作业能力，如德国的TRAMPER，其作业周期长，但作业范围较小。本书介绍的自主式深海着陆车为典型的独立式作业型，其不仅具备完全自主的海底科考能力，且其海底连续科考作业范围至少10 km，还能同时完成长达6个月的海底驻留和科学探测。表1-2所示为现有主要履带式深海探测装备作业方式。

1.5.3 关于深海探测装备发展的几点思考

综合以上对深海探测装备，尤其是科考型履带式探测装备研究现状的分析可知，虽然国内外皆已取得了某些关键技术的突破，且其相关产业也初具规模，但随着海洋事业的不断发展，深海科学与工程也涌现出了新的实际需求，如深海生态考察、深海考古、深海资源开发、深海工程作业等。深海探测装备的研究已经从过去单纯追求深度和国产化逐渐向追求实际作业能力、集群化和智能化方向转变。基于这些转变，围绕深海探测装备的发展提出几点思考。

（1）基础科学的研究与突破

基础科学研究的发展，如新型耐压材料、固体浮力材料、高能电池、高速水声通信和相关传感技术等，将不断推进深海探测装备的进步。深海科学对探测深度、测量数据量、续航能力和实时性等要求不断提高，而与此相关的基础物理学科却未出现重大革新，深海探测装备难以获得突破性的进展。针对这样的现状，一方面可以加大基础科学研究支持力度，促进其在深海重点领域的突破；另一方面可以在现有技术的基础上，开展最优化设计与研究，使得现有技术的潜力在系统配置和应用方式上得到充分发挥。

（2）复杂环境的适应性研究

深海环境复杂多变，尤其是在一些极端特殊区域，如冷泉区、热液区和触底爬行工作环境中，深海探测装备除了受到水环境引起的非线性水动力和沉积物底质交互产生的非线性阻力外，还会受到随机海流干扰、沉积物底质不均匀及由浮游转变为着底爬行状态引起的模型不确定性等影响。因此，针对以上特殊过程开展对深海探测装备复杂环境的适应性研究，通过对多源异质信息开展基于数据驱动的建模研究，可提高其在复杂环境下的运动性能，从而确保作业效率和装备安全性。

（3）需求导向的智能化发展

以特定科考任务和作业应用为导向的深海探测装备智能化发展，需聚焦以人工智能技术为基础，将环境感知、目标识别、决策优化和运动控制等相结合，开展综合智能化的突破性研究，如：基于运动安全和能耗最优的路径规划、基于信息融合和实时智能处理的跟踪控制，以及所涉及的软硬件系统性研发等。因此，以需求为导向的智能化应用研究，将加快深海探测装备核心智能科技的创新研发，不断促进海洋开发利用、海洋经济发展、海洋生态环境保护和海洋权益维护。

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