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一概述
近年来，海洋无人装备快速发展，涌现出众多尺寸各异、功能多样、自主智能的新型平台，如无人水面艇和无人潜航器，这种飞跃式的进步要归功于机器人技术，包括智能算法、处理器、传感器等领域技术的发展。除无人平台外，在有人舰船领域，机器人技术的发展也孕育诞生了一批新型装备，这些装备以针对性的功能设计，旨在代替部分的人类工作，减少人工负担，提高工作效率。目前，在舰船工业领域，国外主要将机器人技术用于舰船消防、船体清洁维护和船舶检查三个方面。
二机器人技术在国外舰船工业领域的基本应用情况
2.1
舰载消防
高度的不可预测性、极端温度以及火灾对结构环境的迅速破坏，使得消防工作一直都极具挑战，而复杂的舰船环境（结构复杂、空间狭窄、船体材料导热性强、可燃物多等）更增加了消防工作的难度和风险。因此，除了舰艇本身的消防系统外，工业界还着眼于发展能代替人类的消防机器人。
舰载消防机器人属于特种机器人范畴，具备爬坡、登梯及障碍跨越，耐温和抗辐射，防雨淋、防爆、隔爆，防化学腐蚀、防电磁干扰、遥控行走和自卫功能，能够代替消防人员接近高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、易燃易爆等恶劣环境，进行火场侦察、化学危险品探测、灭火、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏等作业。舰载消防机器人的应用能够大大提高消防人员扑灭恶性火灾的能力，对减少舰船损失和灭火救援人员的伤亡具有重要作用。近年来，美海军先后研发了SAFFiR、THOR等多型可用于舰船消防的机器人，并进行了实船试验验证。
2.1.1 舰载自主消防机器人SAFFiR
（1）装备概况
，美海军研究实验室（NRL）和弗吉尼亚理工大学等高校共同开发了一款舰载自主消防机器人——SAFFiR。SAFFiR是一款能够执行包括转动阀门、利用消防水带和消防手榴弹等操作进行灭火的人形机器人，其可承受住高达500℃的高温，并与人类消防员共同参与火灾的检测和抑制。该机器人也是美海军“21世纪损管”项目（DC-21）的一部分。
图1 SAFFiR机器人
（2）技术配置
SAFFiR的开发涉及一系列复杂技术，包括新型机器人平台和防火材料（弗吉尼亚大学）、自主感知和导航算法（宾夕法尼亚大学）、人机交互技术以及计算认知模型等。
SAFFiR高5英尺10英寸（约1.78 m）,重143磅（约64.85 kg），独特的机制设计和装备使其能够在整个舰船上自主移动、学习船的布局、与人互动、巡查结构是否异常，并处理许多通常由人类完成的危险消防任务。弗吉尼亚理工大学开发的两足仿人机器人技术使机器人能够在各个方向行走，可在颠簸不平的环境执行消防任务。NRL为该机器人设计增强的多模态传感器技术和传感器套件，包括一个摄像头和一个气体传感器，以及立体红外和紫外摄像机，使其能够透过烟雾看到事物并探测余热源。SAFFiR的动力方面由电池供电，能持续工作30分钟。在11月试验中，SAFFiR登上了美国海军退役的“沙德维尔”号（USS Shadwell）试验舰，通过热成像识别设备控制身上携带的软管，成功完成了消防试验。
图2 SAFFiR结构特征
图3 弗吉尼亚大学开发的机器人平台架构
（3）下一步计划
SAFFiR阶段性的成功有效增强了无人系统在美国海军舰艇损害控制与检查领域的应用。未来，研究人员还会安装多种模式接口，提高SAFFiR自主协同能力，允许机器人作为一个团队成员共同执行任务。
2.1.2 THOR战术作业机器人
THOR（Tactical Hazardous Operations Robots）战术作业机器人由弗吉尼亚理工大学研发，具备接近人类肌肉的活动力和稳定性，且具有复杂的弹性制动连轴装置，可以像人类一样抬腿走路，拥有很强的智能消防能力。目前已经用于舰船消防。11月，THOR在“沙德维尔”号试验舰上成功扑灭了舰上的大火。
2.2
船体清洁维护
舰船投入使用后，船体尤其是底部经过一段时间航行会变得非常脏，这主要源于一些海洋生物的附着，以及航行中不可避免的腐蚀及刮擦，因此几乎所有的船只都需要进行定期清洁以保持船体健康。同时，美海军水面战中心卡德洛克分部（NSWCCD）研究称，海洋生物在船体上附着造成的“生物污染”，可将舰船航速最大降低10%，为了抵消这种阻力舰船可能需要多消耗40%的燃料。而如果为了防止生物污染使用有毒涂料则会对海洋生态造成破坏。随着绿色航运意识的增强，有助于提高燃油效率和减少二氧化碳排放的技术需求迅速增加。船体清洁工作难度高、危险性高且乏味，通常只能在舰船靠岸时由维护人员进行操作。随着技术的发展，这项工作可能会被机器人代替。
2.2.1 Hull Bug
（1）装备概况
在美国海军研究局（ONR）的资助下，美国SeaRobotics公司开发了一种创新的船体清洁机器人——Hull Bug。Hull Bug能够在船体表面爬行，并进行频繁的清理工作。机体上的传感器为其提供避障、路径清洁和导航能力。其使用一种荧光计探测附着的生物污染，然后利用旋转刷和喷水器清除污垢。
（2）技术配置
该机器人是一种小型四轮无人车，重约30~40 kg，通过一个负压装置将自己固定在船体底部。
图4 HullBug早期试验样机（左）及最新产品（右）
动力方面，Hull Bug由电池驱动，配备EC45四级平板发动机，仅重量2.2磅，连续输出功率200 W，最高转度可达12000 rpm，即便在恶劣的水下环境中，EC45的最大扭矩也可达到265 Nm。其使用的GP42齿轮头轴的高负载能力能使车轮直接固定在上面，这大大降低了整个系统设计的复杂性。
传感器方面，Hull Bug最新型一共配备三个，顶端左侧配备Oculus 750多波束声呐，底部中央是KVH1750光纤陀螺，底部左侧是Nortek DVL1000传感器。
（3）应用成效
开发人员估计，如果这种机器人投入使用，有望将舰船燃油效率提高5%，并为全球航运业每年节省150亿美元，减少10亿吨温室气体排放。
类似的船体清洁机器人还有Keelcrab开发的I-keelcrab，这是一种半自动机器人，配有ip68高分辨率摄像头，可由智能手机或平板电脑遥控操作。
2.2.2 HullSkater
（1）装备概况
HullSkater是由佐敦公司（Jotun）和康斯堡海事公司联合开发的一款船体清洁机器人。
（2）技术配置
HullSkater重约200 kg，具有四个磁性轮，每个轮子上都装有一个用于推进和转向的发动机，使其能够贴在船体上移动清洁。HullSkater可通过远程操控，无论舰船位于何处，操作员都能在陆地上通过4G网络连接操作。
根据船的吨位不同，HullSkater进行船体检查和清洁需要2~8小时。机上配备了特殊的刷子使其能探测船体结构上的角落和缝隙，如螺旋桨周边的区域，非磨料（non-abrasive）刷头还能够在不损坏防污涂层的情况下清除污垢。机身上还装有4个聚光辅助摄像头，使工作站人员能操控导航和记录船体污损的数据，并将水下数据实时传送到船上的4G收发器。HullSkater使用锂离子电池组作为动力，清洁工作完成后，回到工作站充满电只需不到2个小时。
图5 HullSkater构造
该机器人平时停留在船上的便携式工作站中，该工作站包括发射装置和船底监视系统。
（3）应用成效
使用HullSkater对船体进行定期清洁，能在早期就及时防止船体被细菌生物污染。佐敦公司称，采用这种方式，可能使舰船的燃料消耗持续减少12%~13%，每年可节约4000吨燃油，同时减少约80万美元的燃料费用。
图6 HullSkater应用场景
2.2.3 Greensea系统公司清洁机器人
（1）装备概况
Greensea系统公司于在美海军研究办公室（ONR）的资助下，探索船体清洁的机器人解决方案，并于部署了一个机器人原型系统，该系统可以自主对船体进行学习和清洁，同时提供小于0.15 m RMS[1]的船体定位精度。
图7 Greensea公司清洁机器人
（2）技术配置
该原型样机采用了一套商用ROV系统，配有Greensea开发的导航和控制系统，以及FIT CCBC开发的清洁工具。在导航和自主性能力方面，Greensea使用了其自研的OPENSEA开放式架构软件平台，机器人使用惯性导航系统和多波束声呐对其在船体上的位置提供基于特征的定位。该公司还开发了一个图形用户界面，为技术人员提供直观视图，以计划、执行和记录船体清洁的过程。
图8 用户界面
[1] 注：CEP和RMS是GPS的定位精度单位，是误差概率单位。以2.5M CEP为例，意思是以2.5M为半径画圆，有50%的点能打在圆内，即GPS定位在2.5M精度的概率是50%，相应的RMS（66.7%）2DRMS（95%）。
2.3
船舶检查
过去对大型舰船进行裂缝、腐蚀或磨损检查，以确保它们符合不断提高的安全标准，是一项耗时且危险的工作。在水下进行检查也面临许多挑战。搜索是在可见性有限或接近零的条件下进行的，通常对人类来说很危险，从而严重限制了检查的能力。船体形状可能很复杂，这使潜水员难以定向和航行。使用机器人技术用于船舶检查是一个可观的选项。能够节约大量的时间和金钱，降低检查风险，并能提高检查的准确性。
2.3.1悬浮式无人潜航器（HAUV）
（1）装备概况
金枪鱼机器人技术公司为美海军研发了一款悬浮式无人潜航器（HAUV），利用声呐技术对船体的裂纹、腐蚀和磨损进行100%的全覆盖检测。除此之外，HAUV还能执行港口安全、反水雷（MCM）、未爆炸武器（UXO）探测及科学研究等任务。美海军于向金枪鱼机器人公司授予了5艘HAUV的采购合同，提高海军舰船船体、港口及其他水下设施的检查能力。
图9 HAUV
（2）技术配置
HAUV能够在船体上自主进行定位，精度可超过2米CEP 50。HAUV能够在30分钟内从船上或港口上进行部署，装备有支持现场更换的电池组及数据存储模块，能够在不同任务之间快速切换。简洁的任务规划工具使其能在几秒内就制定好下潜计划，并自动进行数据检索和报告生成。集成的DIDSONTM 声呐为HAUV提供了可实时查看的高分辨率图像，收集的数据还能够通过第三方软件后期处理成接近照片质量的图像。
HAUV配备的推进器使其能灵活地进行悬停、原地旋转及向任意方向移动等操作，还可以通过光纤缆索进行远程手动控制，增加其机动能力。
表 1 HAUV性能参数
尺寸
133×93×38 cm
重量
72.6 kg
下潜深度
30 m（可选配60 m）
续航力
3.5 h
速度
0.5kn（可选配1.5 kn）
能源
一个1.5 kWh锂离子电池组
推进
5台推进器
导航
2 m CEP 50（可选配1 m CEP 50）
IMV，DVL和深度传感器
软件
基于GUI的操作工具套件，可选配第三方处理软件
数据管理
4 GB可拆卸数据存储模块（RDSM）
标准载荷
ARIS Explorer 3000成像声呐(1.8 MHz, 3.0 MHz)
图10 DIDSONTM 声呐获取的原始图像
HAUV开发者为操作人员配备了一个集成的AUV软件包，为HAUV和操作人员在所有任务阶段提供接口。该软件包具有简单的用户界面，能最大限度提高HAUV的操作效率，其基于Windows系统运行，能够进行AUV检查测试、任务规划、通信、任务监控执行、数据管理和分析等一系列操作。
使用该图形工具，能够很轻易地进入基本任务界面并验证，也可以通过相关小工具建立复杂任务规划，规划工作在一个基于图表的视图上进行。操作人员可以指定安全设置、操作限制、恢复点和返回计划。任务规划器还允许通过标准载荷接口发送特定命令。
仪表盘工具使操作人员能够根据基于图表的界面跟踪AUV，其中包括船舶位置指示器、任务计划和操作人员指定的各种注释。各种专门的诊断接口能够对每个传感器和子系统的维护程序进行预防和纠正。
2.3.2 DT640
（1）装备概况
加拿大公司Deep Trekker在发布了一款用于船舶检测的磁性三轮爬行机器人DT640。Deep Trekker公司成立于，已经生产了一系列小型便携式ROV用于水下检查和勘测。
图11 DT640机器人
（2）技术配置
DT640宽40.6 cm，高22.8 cm，重15 kg，采用不锈钢及铝质机身，磁性轮使DT640能够在水上或水下环境中垂直爬行，检查船体的完整性，轮子具有防滑转向和零转弯半径的特点，使其能在狭窄和粗糙的区域都能灵活机动。船员可以通过手持遥控设备实时查看船体图像。DT640采用紧凑且模块化的设计，便于运输，能在任意地点随时部署，下潜深度可达50 m。并配备400 m长的缆绳和内置电池，可提供8小时的不间断工作并能在1.5小时内充满电。
模块化设计使其能够配备多样化的操作附件，包括用于清除污垢、锈垢、附着生物的压力清洗机，用于清除沉积物堆积的真空头，Cygnus厚度测量仪，额外的辅助摄像头以及清除坚硬物质的推土机附件。
图12 DT640的各种不同配置
2.3.3 船舶检查机器人（SIR）
（1）装备概况
苏黎世联邦理工学院、ZHdK联合阿尔斯通检测机器人公司开发了一种轻型、低成本的船舶检测机器人(SIR)。该机器人能够对船舶压载舱进行检查。
图13 SIR船舶检测机器人
（2）技术配置
SIR将紧凑的设计、创新的机械结构与轻巧但强大的电子设备相结合，装备的4个磁性驱动轮具有强大的移动能力，其重叠的轴距（overlapping wheelbase）使其能在各种类型的钢材上爬行，包括凹角、凸角、L型梁、T型梁、甚至I型梁。在传统机器人可能被困住的地方，SIR都能行动自如。此外，SIR的轴距使其无需转向叉就能原地转向，大大提升了在狭窄空间中移动的能力。SIR的动力系统及电池等重型部件都集中安装在机器人基座上方，这种紧密的结构布置最大程度地降低了机器人的重心位置，增强了SIR的攀爬能力。
图14 SIR在凸出的边缘上攀爬
SIR还采用了创新的分离机构，使其在凹角、凸角等地方也能顺利通过。SIR设计了一种新型的直角分离机构，当SIR通过成直角的两个平面时，轮子同时吸附在两个面上，为了继续行驶，必须使后方的轮子与平面脱离。SIR通过轮旁的杠杆驱动第二个平面所产生的力传递给第一个平面，使后方轮子脱离。
图15 SIR经过直角的情形
SIR装备了平移摄像头和不同类型的传感器，并能通过无线电进行远程控制，如果需要，也可以通过电缆连接操作。SIR在工作中能为导航和检查提供大量反馈数据。动力方面使用一个RC电池，可持续运行3小时，并能在30分钟内充满电。SIR的轮子、电池和电子设备都采用模块化设计，可以很轻易地进行拆卸更换。
SIR使用GoPro Hero 3摄像头，并通过3个灯进行辅助，一个灯指引方向，另两个以平角照向地面，因此投射在地面上的阴影较长，使凹凸不平和小边缘区域显示得更加明显。使用四个红外距离传感器进行边缘和障碍物检测，一个惯性测量单元为操作人员提供方向数据。由于结构简单，使用相对便宜的外部设备，商用版SIR的生产成本预计为4000欧元左右，原型机的生产成本约为12000欧元。
2.3.4 海洋检查机器人辅助系统（MINOAS）
（1）项目概况
MINOAS (Marine Inspection Robotic Assistant System)是欧盟资助的项目，在MINOAS的基础上欧盟随后还提出了INCASS（Inspection capability for Enhanced Ship Safety）项目，目的是通过机器人系统支持大型海洋船舶的检查过程。
MINOAS项目提出利用一组机器人群，通过同时在舰船上工作提供多个点的视觉及测量信息。项目目标是重新设计整体的船舶检查方法，通过创新系统制定新的标准检查流程，利用机器人技术大大减轻人工负担，并提高船舶检查的效率和精度。
（2）平台构成
MINOAS系统基于四种不同的机器人平台组成：
①微型无人机
无人机用于提供船舶状态的总体视图，并探测潜在的关键区域。MINOAS无人机基于Ascending技术公司的“鹈鹕”（Pelican）平台设计，采用多旋翼直升机机型，直径50 cm，能够携带500 g有效载荷，配备一个用于高度测量的气压传感器、一个GPS接收器和一个惯性测量单元（IMU，包括3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁强计），使用ARM7微控制器进行姿态稳定控制。无人机装备一台Hokuyo URG-UTM-30LX激光传感器，能够探测约30 m的范围，并能通过连续扫描进行避障及移动。还配备了一组uEye 1226-LE-C摄像机提供全面的视觉图像。另外，无人机还携带一个额外的处理面板，可以在机上处理传感器数据，而不必将数据发送至基站，，避免在关键控制回路中出现通信延迟。该无人机的控制架构支持三种不同的操控模式：手动、半自动及全自动。
图16 MINOAS无人机及其控制架构
②轻型磁性爬行机器人
MINOAS研制一种提供近距离的视觉反馈的轻型机器人，系统包括两个配备了铷磁铁的驱动轮，该机器人非常小巧，重量低于1 kg，移动速度快，在垂直船体上每秒能移动50 cm。能够通过2.4 GHz频率远程控制，通过3D跟踪单元追踪机器人的位置，机器人的摄像头使用5.8 GHz频段进行无线视频传输。除提供近距离观测图像外，该机器人还能在发现缺陷或腐蚀的地方进行光学标记，为此，该机器人还装备有一个喷雾单元和一个载荷选项，包括一台驱动泵和一个油箱组成，其中包含用于标记的特殊清漆。
机器人使用12V锂聚合物电池组。如果系统持续驱动，所有子系统(即跟踪LED、摄像头的LED光源、摄像头和视频传输)持续打开，则系统能源自主时间约为30分钟。磁履带的设计可使电池组在几分钟内进行更换。
图17 轻型磁性爬行机器人
图18 轻型机器人工作流程
③重型磁性爬行机器人
在船舱侧坡、网状框架等结构上移动的需求限制了机器人的大小，因此MINOAS研制一种重型磁性爬行机器人，装备有专用的机械臂，能够进行船体表面工作和超声波厚度测量。在使用被动附着系统时，为了将分离和碰撞的风险降到最低，该机器人采用磁性轨道而非车轮设计，因为它们能够最大限度地与金属表面接触。
重型机器人的传感器系统包括：高性能、微型姿态航向参考系统(AHRS)，结合了MEMS传感器技术和高灵敏度的嵌入式GPS接收器，能够提供定位、惯性和GPS测量，以及四个激光距离传感器，机载嵌入式实时计算平台基于商用现货和软件设计，采用PC兼容的CPU的单板计算机硬件架构。此外，MINOAS项目还在研发水下航行器，能够进行水下的视觉和厚度检测。
图19 重型机器人
2.3.5 RoboShip
（1）装备概况
SmartBot是一个跨国合作项目，涉及来自德国、荷兰等24个不同国家的合作伙伴。其目的是为海洋、农业和工业应用开发多传感器机器人平台。RoboShip是其中的一个子项目，旨在开发一个用于大型船舶压载水舱检查和维护的智能多传感器机器人系统。
（2）工作场景
在RoboShip工作场景中，机器人沿着安装在压载舱内的一组轨道进行移动，使用摄像头及多个传感器进行检查，并将视频图像和相关数据传输给舱外人员进行评估。如果人员发现需要关注的地方，可以通过追踪机器人发出的磁场来确定其位置，并制定维修计划，开发人员还正在研究使机器人能在检查过程中利用激光自主完成一些维修工作的能力。
图20 RoboShip
2.3.6 “顶部无人机”（Topside Drone）
（1）装备概况
美海军还考虑将无人机（UAV）作为一种管理舰船腐蚀的工具。该项目称为“顶部无人机”，是一种在商用现货（COTS）无人机上装备新型的腐蚀/异常探测传感器有效载荷进行处理的方案，该技术将会用于检测困扰海军舰艇的材料缺陷、腐蚀、变形及其他状况。无人机将会在规定的区域飞行，进行照片拍摄和数据测量，以确定是否存在腐蚀以及腐蚀的严重程度。通过红外图像，“顶部无人机”检测技术可以在80英尺外识别腐蚀状态。
图21 “顶部无人机”演示样机
（2）技术配置
“顶部无人机”具有用于数据收集的互补的有效载荷，LiDAR（光探测和测距）使用脉冲激光的形式来测量目标距离，LiDAR的扫描能够精确地捕捉到视线范围内所有物体的几何形状，并用于创建舰船的数字模型；第二个有效载荷是可见光/红外相机捕捉图像用于数字模型的几何外观，然后利用计算机视觉对腐蚀情况进行算法检测。
图22 腐蚀状态检测
除了增强了对腐蚀的识别能力，“顶部无人机”还将减少对舰员的维护需求。舰员在查看腐蚀及其他设备情况中会花费大量的时间，而无人机可以四处飞行拍摄舰船影像，快速自主地收集数据并对数据进行评估，在不占用舰员时间的情况下就能够识别是否存在腐蚀。
（3）试验情况
在9月的一次演示中，该无人机从已经退役的美海军“中途岛”号航母上起飞，沿着预定规划的航线对舰船进行了几分钟的拍摄。这也表明美海军仍在利用已退役的舰船来进行相关的训练工作。在海军的演示过程中，计算机视觉算法分析了无人机收集到的数据，并显示出整个“中途岛”号航母的严重腐蚀情况——作为一艘已退役的舰船，“中途岛”号为美海军测试提供了一个目标丰富的环境。
图23 “上层无人机”在“中途岛”号航母上进行演示
三总结
3.1
改变了舰上工作方式
随着机器人技术的发展，舰船工业中逐渐探索利用各种机器人代替人类进行相关工作。机器人能胜任包括舰船消防、船体清洁、测量、检查、喷漆、维修等一系列工作，无人机，轮式、履带式、轨道式无人车，无人潜航器等机器人各显神通，在水下、垂直船体、狭窄空间、压载舱、火灾环境等各类极端恶劣环境下自主或通过遥控工作，这能够大大降低人力负担，使相关工作能够无需船舶入坞就可进行，大大减少时间和经济成本，提高工作效率和质量，并降低了工作的风险。
3.2
相关平台技术有待进一步优化
当前舰船上利用的机器人还存在一些不足之处，受限于机器人本身的尺寸，有效载荷能力较弱，处理的工作比较单一，智能化自主化程度较低；一些机器人仍需要通过缆绳、遥控器等装置进行工作；大部分机器人通过电池提供能源，电池续航能力有待提升，这都是未来舰船工程机器人发展的方向。
3.3
难以取代人类知识和经验
尽管机器人的应用越来越广，但人类的知识和经验仍然是舰船工作中不可或缺的，舰船在工作中遇到的问题常常是变化多端、关系复杂、牵一发动全身的，机器人技术固然可以对显露的问题进行探查反馈处理，但对很多复杂问题的归因分析、全船整体工作的把握掌控等都需要依赖于人类在长期工作中积累的知识经验，这是机器人在短期内难以取代的。
四 未来发展趋势
4.1
智能化
随着智能算法、芯片技术等软硬件的持续发展，未来舰载机器人将更加智能化，自主化程度不断加强，能在无需舰上人员的监视操控下独立进行相关任务及对象的规划、识别、评估、执行和反馈，并能与舰上相关任务系统结合，不断提高作业的效率和质量，如消防机器人可与舰上空调通风、供配电系统结合等。
4.2
集成化
无论是舰船火灾、船体污损还是其他问题，实际中所面临的工作任务往往并非单一任务，不同状况常常会同时发生，如设备故障、操作失灵等。仅仅处理单一任务或将问题分时处理效率较低，已经无法满足未来舰船需求。未来舰载机器人应能在有限的重量和尺寸下，集成勘测、标记及各类型处理等多样功能，并满足相关的性能指标要求。
4.3
多样化体系化
舰船是一个庞大复杂的结构体，在运行过程中会面临多种多样、难度各异、处理环境不一的问题，仅靠单一类型或少量的机器人是难以胜任的。随着机器人技术的发展，必将出现更多类型、更多功能、应用场景更加多样的机器人。对于整体的舰船工程来说，无人机、大中小微形无人车、无人潜航器将成体系化发展，逐渐形成面向全舰管理检测维护的机器人工作体系。
作者：王朔，刘振
校对：王娜，吕君，邓秭珞
——第22期（总第199期）《舰船动态周报》
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