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水下載具介紹與發展

授課老師: 趙世峰、翁健二、顏志峰

1

國立高雄科技大學 National Kaohsiung University of Science and Technology

為何需要水下載具

在還未發展機器人探索海洋之前，海底管線、電纜破損斷裂時必須修補，或檢查鑽油平台、港灣碼頭在海面下的基礎結構是否安全穩固時，依靠的都是潛水人員。這些潛水人員必須冒著危險潛入深海，執行修補、檢查，甚至打撈的任務。但隨著科技的進步，這些危險的任務已漸漸轉由水下機器人執行，包括石油開採、海底礦藏調查、水下搜尋與打撈作業，或檢查海底管線、水下結構物、海底電纜、鑽油平台、港灣碼頭等水下設施、軍事作戰，大大減低了人員執行這些任務時所面臨的風險。進入 21 世紀，為滿足開發海洋、永續海洋的需求，水下機器人已成為探索未知深海的重要工具，也是目前世界先進國家相互競爭、研發的目標[1]。

向未知的海洋領域推進

由於黑暗、寒冷、高壓的限制，大部分的深海區域是人類未曾探索的範圍。因為海水會吸收並散射光線，懸浮在海水中的粒子也會散射光線，使得深海一片漆黑；海洋也吞沒了光線以外其他類型的電磁輻射，包括無線電訊號。此外，深海寒冷至極，以海洋科技博物館（海科館）所處的台灣東北角為例，水深500公尺海域的溫度通常只有攝氏4至6 度。在深海中，毀滅性的壓力限制了一切進入其中的東西。這股力量與地面上的大氣壓力類似，但因為水的密度比空氣密度大得多，使得在海水中水深每增加10公尺，水壓便會增加約1大氣壓。藉著高科技的協助，科學家設計出水下機器人，得以克服高壓黑暗的環境，幫助人類進出深海完成任務，或長期停留在海脊、海溝等深海特定區域內進行資料蒐集與探測工作[1]。

2014 年 3 月 8日，從吉隆坡 (Kuala Lumpur) 前往北京的馬來西亞航(Malaysia Airlines)MH370班機，在起飛後一小時與地面失去聯繫至今，4年的時間過去，機上含機組員共239人始終下落不明。圖為美軍搜救時所使用的藍鰭金槍魚21號(Bluefin 21)水下載具。

在飛機墜海事件中，可以利用水下機器人代替人類潛入深海尋找黑盒子。(圖片出處：種子發)

水下載具對於台灣的重要性

台灣四面環海的地理環境所提供的資源應善加利用與開發，而水下載具是海洋產業開發與探勘的儀器，更顯重要。在水下載具的發展上，已經從有人載具演變到無人載具，而作為探索未知海域、爭奪海底資源的重要工具，這一項高科技已受到國家的重視，因而快速發展而逐漸完善。第一台自主水下載具是由華盛頓大學應用物理研究所於1957年所開發，其開發目的是為了水下擴散效應、聲學傳遞等軍事研究。水下機器人，或稱載具(underwater robotics or vehicle)並不只是用在救難搜索方面，它早已運用在海洋資源探測、海底地形測繪，以及海洋工程結構的建構與維護上[2]。

身為21世紀的海洋子民，讓我們一起來了解這些會影響我們以及後代子孫的新科技產物，以及目前在我國的發展成果吧！

台灣水下技術之需求

• 1. 產業需求

• 2. 環境保護

• 3. 海域能源

• 4. 科學研究

• 5. 考古

漁業資源在過去漁民的濫捕之下已有漁源枯竭之情勢，因此需要以先進的方式精密調查台灣附近海域的海洋生態，才能永續經營海洋漁業。

影響漁源枯竭的原因

一、水溫升高

二、食物鏈

三、近岸3海里海域拖網捕魚，造成棲息地夷平，無天然附著地面棲

息漁場（政策釐定）

四、化學肥料營養物質進入海洋

產業需求

各國漁業捕撈之噸數(1991-2010)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

中國日本祕魯俄羅斯泰國美國台灣

(噸)

在海上的環境保護方面，下列幾項迫切的需求:

1. 救難打撈

2. 爆破

3. 抽油

4. 淤泥

環境保護

從國家戰略安全來看，海域能源相關的技術必須盡可能自己擁有，而減少在能源上對外的量或技術的依賴。因此，下列場合均急需水下載具技術：

1. 油管

2. 海底石油探勘平台

3. 再生能源

4. 新化石能源

海域能源

台灣的地理位置使得海洋學及海洋生物等方面的科學研究極具價值，不論是水文調查、氣候變遷、大氣海洋交互作用、海洋生物調查與研究等方面，都是具有國際性的題材。最近與歐美各國合作的南海與台灣海域研究即是一例。而這些研究，都需水下技術的配合才能順利進行。

科學研究需求

台灣附近海域的水下遺址相當豐富，對於考證過去清朝台灣移民及日治時期的歷史而言，這些水下古文物可以提供相當豐富而堅實的物質證據。在前述清朝船難損失的物品中，以軍械及砲位最常出現，由於金屬訊號較容易被聲納或磁力探測技術發現，或可作為較易搜尋古物的目標。

考古方面

近年來，電子產品的日新月異，使得水下載具的研究與開發更為蓬勃。自主式水下無人載具具有各種不同的應用。無人水下載具大致可分為三類:

1. 以纜線方式遙控稱為水下遙控載具(Remotely Operated Vehicle, ROV)。

2. 無線式的無人載具稱為自主式水下載具(Autonomous Underwater

Vehicle, AUV)。

3. 自主式水下滑翔機(Autonomous Underwater Glider, AUG)，其為自主

式水下載具的變形。

現今水下載具介紹

水下載具的特性

1. 構造

為了能在深海中作業，水下機器人必須有好的結構設計，才能抵擋可觀的海水壓力。其次，還要應用與整合感測與控制技術、訊號處理、動態估算、導航定位、通訊等尖端科技，使水下機器人成為具備智能的個體，才能靈活面對深海惡劣環境的挑戰。


2. 導航與定位

水下機器人利用與裝置在海床上的聲波應答器網路對談方式，來確認自己的位置。每隔數秒鐘，水下機器人傳送一次聲波訊號給應答器網路，每個應答器則會以其特有的訊號回應水下機器人。從網路中三個應答器反應的資訊，水下機器人就能使用簡單的三角函數運算，並依靠導航技術得知目前所在的位置與方位。

3. 速度

水下機器人藉由都卜勒聲納（一種應用都卜勒效應的聲納），向下方的海床前後左右四個方位送出固定頻率的聲波，然後收聽它們反彈回來時聲音頻率的差異，就可以推算出自己的速度。


4. 依賴超音波在深海中潛航

一般而言，AUV 水下機器人是靠著重力與浮力的作用，在海面至海底間來回穿梭。從海面下潛時，它利用重力滑翔而下，抵達目標點附近時，拋出部分的配重鉛塊讓浮力平衡了本身重量後，再開啟螺旋槳的推力，用最大速度在海下潛航。這時，藉著超音波感測器，AUV 水下機器人可以評估障礙物的距離，維持著與海底一定的高度航行。接著，裝載在AUV身體底部的聲納或攝影機陸續啟動，把拍攝到的海底影像資料儲存在電腦記憶體中。在電力即將耗盡時，AUV 會自行拋去身上最後的配重鉛塊而輕輕上浮，回到出發時的海面。

水下機器人在應答器網路中的導航定位 AUV 水下機器人的潛航路程

圖片出處: 宋祚忠、郭振華水下機器人─ 探索深海祕境的超級武器科學發展 2015 年 3 月│ 507 期

水下機器人的構造

水下遙控載具(Remotely Operated Vehicle, ROV)

ROV為有纜繩的遙控水下無人載具，它們靠著一條內有銅線或光纖束的繫纜與海面上的工作母船(研究船)連結，以提供水下機器人運動所需的電力、傳遞控制命令，並傳回在海下所蒐集到的資訊[3]。

圖片出處: 1. SCHMIDT OCEAN INSITITUTE 2. 3. Remotely Operated Vehicles Committee of the Marine Technology Society

1. 2. 3.

圖片出處: 宋祚忠、郭振華水下機器人─ 探索深海祕境的超級武器科學發展 2015 年 3 月│ 507 期

ROV 與工作母船(研究船)的工作示意圖

自主水下載具(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)

無人水下載具的一種，外型可像一小型潛艇或魚雷，它沒有以電纜連接到母船或外部的操作者，而依據控制器編程以自動執行其任務，它們經由聲波通訊，靠著自身攜帶的電池任意悠游在海水中。

1. 2.

Bluefin-21

3.

REMUS 6000 Solar auv 600

圖片出處: 1. GENERAL DYNAMICS Mission Systems 2. KONGSBERG 3. Solar Drone-AUVs-Drones of the Sea

自主水下載具面臨之技術問題

以目前發展技術而言，導航是AUV所面對的主要技術挑戰之一，導航系統不僅需要在長時間提供AUV精確的航向、姿態、速度及位置資訊，同時也是AUV是否能有效的利用及回收的關鍵技術之一，除此之外AUV也受限於體積、重量、電力限制、防水技術及通訊方式等因素影響，對於實現AUV的精確導航及定位是一項艱鉅的任務。目前載具皆配有多種導航元件，使載具定位更具高精度，使其載具的自主式航行能達到更佳的效能。

自主式水下滑翔機(autonomous underwater glider, AUG)

AUG具有下列之優點：

1. 節省成本及人力資源

2. 有效地紀錄海洋資料隨時空之變化

3. 安全性高

4. 不受環境所限制[5]

Slocum G2 Glider Autonomous Underwater Vehicle

KONGSBERG Seaglider

圖片出處: 1. KONGSBERG 2. Phoenix GEOSYSTEM INDONESIA

1.

2.

水下滑翔機與傳統水下機器人最大不同就是它沒有螺旋槳推進器，水下滑翔機上安裝有類似於魚鰾的油囊，透過改變油囊體積的大小改變滑翔機的淨浮力，從而實現滑翔機的下潛和上浮，在一對翅膀的幫助下產生水平前進方向上的推力，最終像海豚一樣在水下形成W形的運動軌跡。

圖片出處:1. 國立海洋科技博物館 2. 物理海洋學ABC第四節-海洋觀測儀器與方法

1. 2.

ROV, AUV與AUG之特性歸納整理[1]

遙控式水下載具ROV，它們靠著一條內有銅線或光纖束的繫纜與海面上的工作母船（研究船）連結，以提供水下機器人運動所需的電力、傳遞控制命令，並傳回在海下所蒐集到的資訊。ROV 現已逐漸取代潛水人員而成為水下作業的主流，因為可以隨探勘目的加裝機械手臂，所以也使用於採集樣本、海底打撈及掃除水雷上。自主式水下載具AUV，它們經由聲波通訊，靠著自身攜帶的電池與自主的導航程式任意悠游在海水中。AUV 常運用於冰層底下的調查及製圖作業、軍事科學的應用、聲納部署及安全監哨、危險廢棄場地的調查、火山地震的地質震動調查及記錄、海底沉船偵測、港口監視、環境監測、海底電纜檢測等。

ROV, AUV與AUG之特性歸納整理

自主式水下滑翔機AUG，AUG與AUV相同，沒有纜線與研究母船連結。AUG並不像AUV及ROV在海洋中靠傳統的螺槳推進，而是利用重力自然下潛，再用浮力引擎(或稱油囊)產生浮力上浮。在上下的過程中，藉由雙翼轉換出向前的推力，使得AUG可循著W軌跡的運動方式掃描海洋水體，大範圍蒐集海洋水文資料(如水溫、鹽度、壓力等)，航程往往可以達到數千甚至數萬公里遠。 AUG水深範圍可及200至6,000公尺深海，水平速度則介於25公分／秒(約0.5節)至40公分／秒(約0.8節)。AUG高里程巡航的主要原因是它在水中滑翔的過程中，除僅需耗費少量電能執行必要監測任務外，並不需要額外電能提供行進的動力。只有當AUG需要改變上浮、下沉狀態或傾角姿態時，才會啟動浮力引擎消耗電能[4]。

項目 ROV AUV

與水面通訊方式光、電纜通訊超音波

動力來源透過繫纜供應直流高壓電內建電池

移動性小範圍無限制，依電池電力多寡決定

操控方式人員經由繫纜於母船上控制自主遙控或超音波遙控

外型差異通常為開放式機架通常是有外殼的低組造型

ROV與AUV之比較

影片賞析

探索深海—水下載具的發展

正修科大張豪賢教授

• https://www.youtube.com/watch?v=SiuXDJqNKkQ

https://www.youtube.com/watch?v=SiuXDJqNKkQ

(1) 大氣壓力的來源是大氣層中空氣的重力，在海平面上的空氣壓力稱為1大氣壓，相當於1.033 kg/cm2的壓力。在高處的大氣層比較薄，那裡的空氣重力比低處小，因此在高處的氣壓比在低處低。比如在2,500公尺的高山上，氣壓比在海平面上低，大約只有0.7大氣壓。

(2) 利用聲波可以在海中做無線通訊，聲波在水中傳播的距離比光線遠，但速度慢很多。光的速度：在空氣中約為300,000公里／秒；在海水中約為225,000公里／秒。聲波速度：在25 oC的空氣中是346公尺／秒，在攝氏25 度的海水中是1,531 公尺／秒。

知識小百科

(3) 都卜勒效應(Doppler effect)是波源和觀察者有相對運動時，觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細（即頻率變高，波長變短），而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉（即頻率變低，波長變長），就是都卜勒效應的現象，同樣現象也發生在私家車鳴響與火車的敲鐘聲。

觀察者（Observer）和發射源（Source）的頻率關係為：

f'為觀察到的頻率；

f為發射源於該介質中的原始發射頻率；

v為波在該介質中的行進速度；

v0為觀察者相對於介質的移動速度，若接近發射源則前方運算符號為+號，

反之則為−號；

vs為發射源相對於介質的移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為−號，

反之則為+號。

知識小百科

ROV

提高水下環境觀察、抗流作業、即時資料傳輸與資訊交流的能力

加大資料處理容量

提升操作控制水準和操縱性能，以及完善人機交互的介面

AUV

研發更精簡的電力需求及長時間、高效能電源供應系統

更遠端化、智慧化

採用圖像識別、人工智慧技術、大容量的知識庫系統以有效提高資訊處理、精密導航定位等的技術能力

群體無人水下載具網路: 藉助多機分工共同完成更加複雜的任務，通過水下通訊網路的建立，將使得不同機型、功能的水下載具間得以相互通信，利用協調與磋商機制來完成群體行為控制、監測與管理及系統故障診斷，實現群體作業的理想[7]。

未來遠景與展望

參考文獻 • [1] 宋祚忠、郭振華，水下機器人─探索深海祕境的超級武器，科學發展 2015 年 3 月│ 507 期

• [2]楊雅兆,邱意明,陳慶盈,穆凌吉,楊文昌,郭振華, 自主式水下無人載具技術研析, 第34屆海洋工程研討會論文集國立成功大學, 739-744頁， 2012 年11 月

• [3]陳政宏,水下載具環驅推進器之幾何設計及性能分析,國立成功大學 2004年6月

• [4]宋祚忠,探索「靜與動奧秘」─水下滑翔機海科館展示教育組

• [5]陳先文、周豐成海洋環境監測新趨勢 ─水下滑翔機之介紹與應用海巡雙月刊 vol.45 2010

• [6]Jeng-Horng Chen Taiwan and Southeastern Asia's UnderwaterArchaeology and Taiwan's Underwater TechnologyDevelopment Policy,Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering

• National Cheng Kung University (http://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdf)

• [7]無人水下載具（UUV）的現況與未來，清流月刊中華民國九十八年八月號
http://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdfhttp://myweb.ncku.edu.tw/~chenjh/articles/2006underwater.pdf

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