21世纪又被人称为“海洋世纪”，随着社会的发展与人口的剧增，陆上资源的开发与人类需求的矛盾不断增加，于是很多国家将目光转向海洋资源的开发。海洋约占地球总面积的71%，蕴藏着丰富的矿产资源与生物资源，为了能够更好的开发与利用海洋资源，首先便需要对海洋环境进行探测，同时促进了水下技术的发展。同时伴随着计算机技术、水声定位导航、水下微光电视、遥控技术等的快速发展，美国、俄罗斯、日本等国先后研制出无人潜水器，即水下机器人^[1]。

水下机器人（Underwater Vehicle），它是目前进行海洋探索的一种主流工具，具有体型较小、工作噪声小和磁场特征弱等优势^[2]。传统上将水下机器人分为两大类，一种为遥控式水下机器人（ROV,全称Remote Operated Vehicle）,另一种为自主式水下机器人（AUV,全称Autonomous Underwater Vehicle）^[3]。 遥控式水下机器人一般通过电缆进行供能以及命令传输，通过岸上（水面）基站对其进行实时控制，但是由于缆绳的限制使其灵活性和活动范围有一定影响；自主式水下机器人一般自身携带电源，并根据预编程序来自主完成水下作业任务，能够根据水下的状况做出简单的控制决策，因此其相对属于智能水下机器人，其活动范围和连续工作时间受到电池技术的限制。

水下机器人发展起始于上世纪五六十年代，由于受当时电子以及通信等技术的限制而发展缓慢。在1966年美国的CURV水下机器人将丢失在西班牙沿海868米水深的氢弹打捞上来，开创了水下机器人完成水下作业任务的先例，此后水下机器人技术才受到广泛的重视。水下机器人能够代替人类进入到复杂、多变、危险的水下环境中，按照设定程序自主或者岸上操作人员的指令完成各项任务，采用无人水下机器人探测相对于潜水员探测以及载人水下航行器探测来说具有更高的安全性和经济性，在保障人身财产安全和提高任务完成效率方面具有重大意义。随着技术的不断发展，水下机器人越来越多的应用到除海洋探测之外的情况中，水下机器人在水下打捞救助、水质监测、堤坝检修、船体检修、水下管道检查、航道检查以及水产渔业养殖等方面都有着重要的应用前景^[4]。

目前，国外已有大批著名研究机构与学者开发出多种具有代表性的水下机器人。早在1922年，美国麻省理工学院的水下机器人研究室设计开发出一种自主水下机器人Odyssey来用于海洋探索，之后其实验室又研制出OdysseII、OdysseIV、Sea Squirt等多种型号的水下机器人，其中最新型号OdysseIV经过多年的不断改进，重量只有25KG当时能够卸载20KG的负载，流线型的外壳结构能够使其在水下快速运动，同时其能够实现精确地水中悬停^[5]。葡萄牙波尔图大学研制出一种名为TriMARES的混合型（自主/遥控）水下机器人，它可以满足对大型水库检查和定期检测的要求，TriMARES的动力由七个独立的推进器提供，没有控制面，因此能够悬停在水柱中，因此可以靠近底部导航，或者对水下结构进行近距离检查^[6]。在小型商用水下机器人方面，美国VideoRay LLC公司与SeeByte公司合作研发了一种小型低成本的名为SeeTrack Copilot 的ROV，工作范围能够达到300米，产品所展示的原型技术在水下矿山应对措施和水下考古学等各种应用中，使其成为潜水员替代品提供了可能^[7]。其他一些研究单位研制的水下机器人如英国南安普顿国家海洋科学中开发的Autosub系列水下机器人在北大西洋伊比利亚深海平原进行探测时的下潜深度可达5600m；俄罗斯海洋科技研究院开发的MT-88 的下潜深度达到了 6000 米，其搭载设备包括摄像机和照相机等；日本东京大学开发的水下机器人R2D4其最大下潜深度为4000米，主要是应用于深海矿藏的探测以及海底地形达监测建模；美国海军研究生院ＡＵＶ研究中心ARIES号水下机器人可作为水下探测的信息平台，同时也能够作为为多AUV协同工作提供通信服务的系统控制中心^[8,9]。

可以看出，国外的水下机器人研究状况已经属于相对成熟状态，很多机器人采用先进的控制技术以及监控、导航、定位系统，使其能够在多种应用场景内处于实用阶段。国内主要的水下机器人研究机构有沈阳自动化研究所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等。国内对水下机器人的研究最早始于上世纪八十年代，由蒋新松院士牵头，中国科学院沈阳自动化研究所研制出中国第一款遥控式水下机器人—“海人一号”，1985年成功下潜，深度199米^[10]。之后国内九十年代开始自主式水下机器人的研究工作，“探索号”、“CR-01”、“CR-02”等成功下潜，其中CR-02号2006年在南海下潜至6000米^[9]。哈尔滨工程大学研制的“智水”系列水下机器人能够自主规划安全航线，目标识别绘图等多项功能，达到军用先进水平，后来哈工程又研制出一款可用于水下堤坝测量的水下机器人；近年来上海交通大学研发的智龙和潜龙系列水下机器人，其中智龙11000的最大设计下潜深度达到11000米，表明我国水下机器人技术已经达到世界领先水平^[4]。此外，国内还有许多其他研究单位对水下机器人展开研究，大多数研制的为遥控式水下机器人，此外大部分仍处于试验探索阶段，对水下机器人的商用化尚有一段距离。

对于遥控式水下机器人来说，水下环境恶劣多变，需要水面操作者对水下机器人的位姿和状态信息进行掌控，能够及时对水下机器人面临的突发状况发出命令以进行控制，因此一个良好的水面和水下两级监视控制系统是至关重要的，同时为了增强操作者的临场感，也需要一个直观可靠且易于操作的人机交互界面。目前的遥控式水下机器人主要以CAN 总线、RS-485 通信和网络通信为主^[11]。MAVLink（MicroAir Vehicle Link）是一种2009年发布，主要用于小型无人载具的轻量级通讯协议，可靠性比较好，提供了用于检测数据包损坏及其丢失和数据包身份验证的方法，且通用性和可移植性非常好，它的开源特性使也其广泛应用于各项研究任务之中。

目前的MAVLink协议大多应用于无人机方面^[16]-[18]，例如赖七生保基于MAVLink协议提出了一套无人机与地面站，无人机系统与云服务区和机群之间的通讯方案，并且开发相关监管系统与服务器对该方案进行验证^[12]。骆贞平研究MAVLink协议并设计出一套通信协议电路，使其成功应用于多旋翼无人机控制系统^[13]。杨青基于MAVLink协议开发了一套可以用于高压电线巡检的工业无人机的地面站系统^[14]。虽然近年来MAVLink协议在无人机领域应用迅速普及，但是目前来说，MAVLink协议在水下领域应用较少，李峰采用MAVLink协议开发出一种用于无人驾驶水样采集船的通讯系统^[15]。开发一种基于MAVLink通信协议的水下机器人监控软件对水下机器人的研发和使用具有一定的现实意义和实际工程应用价值。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

本文主要通过详细了解水下机器人的发展历史和国内外现状及其监控系统的结构和工作原理，并针对当前水下机器人的发展趋势，设计基于MAVLink协议的具备直观可靠且易于操作优势的水下机器人监控系统；开发水下机器人监控系统的上位机部分软件 ，并通过调试分析完成对软件的优化。