海底爬行车

深海环境存在着高度的质异性，热液、冷泉、深海珊瑚礁等海底区域尤其明显，各种参数在时间和空间尺度上变化快，而用于探测海底的着底器或沉积物捕获器的空间分辨率较低，时间分辨率也受卫星通信和电池容量的限制（Purser，2013）。为克服传统着底器等观测工具的局限，近几年来海底爬行车（Benthic Rover/Crawler，海底车）技术在国外得到了较快的发展，已成为长期、实时、高分辨率和高精度的活动观测平台。

海底车比传统着底器在深海观测上具有更大的时空尺度。海底车是在着底器上安装轮子或履带，从海底观测网获得电能和传输数据，实现在不规则的海底地形中移动，到多个站位采样并实时传回观测数据，因此海底车具有良好的机动性和稳定性，可作为通用传感器搭载平台用于深海海底探索。对于某个海底区域范围内的高分辨率实时观测而言，海底车通常比常规的AUV和ROV等活动观测平台更有优势。

10.4.4 国内外研究现状

1.美国MBARI研究所的海底车

第一个海底车是由美国Scripps海洋所制造的，外形像小型叉车。在此基础上，美国蒙特雷湾海洋研究所（MBARI）研制了一种能在6000m深海运行超过六个月的海底车（Bethic Rover），如图10-18所示（Mc Gill，2009）。该海底车前端安装的两个呼吸计室能插入沉积物中测量底栖生物群落的耗氧量，安装的荧光成像系统能捕捉沉积物表层植物碎屑中色素发出的荧光，安装的4台照相机主要用于获取沉积物实验区域的图像，记录横断面正面大角度的图像，并监测海缆连接的图像。该海底车内部的电源管理模块能让其“冬眠”但仍给特定的部分供电，从而将能量损耗降到最低，而控制系统则能根据任务指令激活海底车，并在其“冬眠”的位置继续执行任务。

图10-18 美国MBARI研究所的海底车的侧视图景

a履带；b推进电机；c浮力材料；d海流计；e装载呼吸计室的仪器架；f呼吸计室；g 数字相机；h照明灯；i释放压载物用的声学解调器；j装电池和电子设备的钛制压力舱（Sherman&Smith，2009）

MBARI海底车长2.6m、宽1.7m、高1.5m，在空气中重1136kg，在水中仅重68kg。其推进系统是由两个无刷电机驱动的两个46cm宽的支撑轨道，其中无刷电机安装在压力补偿的充油外壳里。其浮力由13个复合泡沫浮体和6个长椭球浮体提供，具有圆柱形钢制压载物（113kg）悬浮在轨道之间，可通过海面发送声学指令控制声学释放器释放压载物，从而产生45kg的正浮力。在探测车的前端是两个垂直安装的仪器架，分别位于左舷与右舷，每个架子上都安装有呼吸计室。在海底车的左舷还安装有高分辨率数码相机，当海底车在站点之间运行时，能捕捉海底的静态图像。在海底车的右舷还安装有200W的闪光灯，当海底车运行时可用于照明。当未连接至海底观测网上时，可通过声学调制解调器向水面发送海底车的状态信息，并作为释放压载重量的通信线路。给海底车供电的电池被安置在两个43cm直径的球形钛制压力舱里，一个位于前端，另一个位于尾端。

MBARI海底车从最初的原型机开始经过了大量的修改，可根据预设的时间间隔采集沉积物数据和分析底层海水（Sherman&Smith，2009）。海底车在MBARI的MARS深海网上进一步测试和完善（Mc Gill et al.，2009）。除了在制定站位上对沉积物和上覆海水测量底栖通量外，海底车还可在站位之间移动的过程中进行海底照相，每移动一米拍摄一张相片，连接起来用于研究海底生物和沉降食物的种类与丰度（Sherman&Smith，2009）。

海底车从水面母船做自由落体到达海底执行任务。到达海底后，为了使周围的海洋环境达到稳定，海底车暂时停止操作。过一段时间，海底车再开始运行，将呼吸计室插入沉积物，并拍摄正前方的画面，用于判断呼吸计室插入沉积物的深度，同时也记录了沉积物中的底栖生物群落。其荧光测定系统由安装在海底车前端的高灵敏度1.4M像素的黑白CCD摄像机和一个蓝色LED灯组成，也可用于估计海底碎屑的质量（Sherman&Smith，2009）。

2.德国不莱梅Jacobs大学海底车

为使人们可从世界任何地方实时观测动态的生态系统和底栖环境，德国不莱梅Jacobs大学通过十几年的时间研制了一种基于互联网操作的海底车（Wally），如图10-19所示。该海底车长130cm、宽106cm、高89cm，能携带超过100kg的传感器载荷，已在NEPTUNE Canada上多次应用，布放在东北太平洋的巴克利峡谷约890m水深的冷泉区域。从任何互联网终端，海底车操作员可通过计算机上的图形用户界面远程控制海底车的运行。与MBARI海底车相比，该海底车的体积更为紧凑，可通过ROV布放。

图10-19 德国Jacobs大学的海底车

（a）海底车的结构；（b）海底车通过ROV布放（Purser，2013）

Jacobs海底车通常能保证五个传感器同时工作，包括CTD、甲烷传感器、浊度计、荧光光度计和剖面流速仪等，其所有主要组件的设计水深为6000m。与MBARI海底车相同，采用履带式设计使其在很软的沉积物上保持稳定性。为使该海底车能适用于不同的海底环境，其采用模块化设计方法，可改变可选组件配置，如可搭载不同类型的履带和浮力块来适应不同基底特性的海底环境，并在试验中模拟不同基质中运行情况。该海底车通过脐带缆连接至海底仪器平台或海底主基站上，在获得运行所需电能的同时实时传输科学数据、状态数据和控制指令，并连接至NEPTUNECanada的数据管理和存档系统（Data Management and Archive System，DMAS）。

海底车可监控海底区域的大小取决于其脐带缆的长度，如在NEPTUNECanada， Jacobs海底车使用一根70m的脐带缆，可覆盖约1.5万m2的地区。该脐带缆采用20mm直径的轻质聚氨酯（Polyurethane，PUR），包含两根用于供电的电线和4对用于通信的双绞线，每三米连接一个200mm×100mm×80mm的浮力块。在部署过程中，脐带缆连接到海底车的顶部，确保它不以任何方式干扰海底。若海底车试图走出脐带缆限制的区域，海底车会停止移动并通知操作者，而作用于海底车上的力不足以导致脐带缆损坏。为了研究对海底车运动的动态影响，文献（Inoue，2013）提出了该水下海底车的数学模型。

2016年，德国人工智能中心（DFKI）给海底车Wally配备了一个全新的激光成像系统，能对海底进行激光扫描，得到分辨率高达1mm的海底图像，如探测高度活动的天然气水合物的形状和大小随时间非常微小的变化（Thomsen，2015）。此外，每次激光扫描都会得到一个三维（3D）环境模型，使得Wally能在此区域自主行驶——在遥远的月球或行星上，这是空间探测机器人至关重要的一项技术。未来，除了计划给Wally配备一只机械手以外，还准备移除连接至海底观测网的水密缆，让Wally完全自动化，最终能漂浮和起飞。

3.德国不莱梅大学MOVE

德国不莱梅大学参照火星车Exo Mars设计的MOVE（Mobile Vehicle for benthic research）海底车，长3m、宽2m、高2m，在空气中重1.5t，在水中仅100kg，能在6000m以浅的海底工作9个月。

10.4.2 海底车的应用

海底车的运行包括启动、移动、测量和复位四个阶段。海底车通常要满足以下4点任务要求：①在海底连续工作数月；②在松软且有黏性的沉积物上移动；③在回收过程中能改变浮力；④能将仪器插入沉积物中并取出来。海底车要求极高的可靠性，防止单点故障导致整个任务提前结束。表10-1列出了不同海洋平台的应用需求，而海底车需要满足其中所有要求（Mc Gill，2009）。

表10-1 不同海洋平台的应用需求

2009年蒙特利湾海洋研究所在MARS节点上进行了两次海底车的测试，第一次部署开始于7月10日并持续了34天，第二次从同年10月1日开始持续了79天（Henthorn， 2010）。研究团队充分利用了MARS海底观测网提供的电能和高速通信网络，实现了以下任务：①安装在海底车前端的摄像机拍摄了全天候的影响；②按每分钟10帧的方式监测海缆的拴绳；③实时分析工程记录数据；④简单修改任务步骤；⑤修改控制软件。

海底车的机动性允许它在较为广阔的空间里进行时间序列监测。德国Jacobs大学的海底车曾部署在巴克利峡谷的冷泉区域，收集了大量的数据，并观测到生态系统的特定时间变化，如甲烷浓度随海水或局部的物理过程变化、全年叶绿素通量变化后表面产生的变化、风暴规律的不同和悬浮沉积物负载的季节性、在交配季节底栖动物的局部浓度、在低流条件下的水母的特定摄食行为和蛤蜊运动的变化性（Thomsen，2015）。海底车利用他们的机动性和侧向的高清相机来每两天记录一次区域内大量的甲烷渗透孔洞的拼接图像，这些拼接图像组合100HP高清图片来合成一张合成图像，覆盖面积约30m2。

此外，海上油气行业正在推动海底车技术的发展（Purser，2013）。