小型水下機器人ROV應用研究*

路曉磊，馬龍，張麗婷，孟濤，馬治忠

（國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033）

1 引言

水下機器人是一種具有智能功能的水下潛器，根據(jù)其智能化程度和使用需求，可以將水下機器人分為4類，即：載人水下機器人（Human Occupied Vehicle，HOV）、智能水下機器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）、遙控式水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和拖曳式水下機器人（Towing Underwater Vehicle，TUV）。HOV也稱載人水下潛水器，由潛水員在水下進行操控，如我國的“蛟龍”號潛水器；AUV又被稱為無纜水下機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)智能式自主航行；ROV和TUV均為帶纜機器人，由母船上人工控制。

相比于深海大型潛水器，淺海小型ROV具有體積小、重量輕、使用靈活、價格經(jīng)濟等優(yōu)點。隨著人類對海洋的開發(fā)利用，ROV在海洋探索研究中發(fā)揮著越來越重要的作用。目前廣泛應用于海洋環(huán)境觀測、海底管道探測、水下目標探測、海洋工程監(jiān)測和水下考古等方面。

2 ROV系統(tǒng)概述

2.1 ROV的基本構(gòu)造

ROV系統(tǒng)主要由水上控制系統(tǒng)和水下作業(yè)系統(tǒng)兩部分組成，二者之間通過臍帶纜相連接。其中，水上控制系統(tǒng)主要包括導航定位系統(tǒng)、超短基線定位系統(tǒng)（Ultra Short Baseline，USBL）、數(shù)據(jù)采集和處理軟硬件系統(tǒng)、ROV控制和收放系統(tǒng)等；水下作業(yè)系統(tǒng)主要包括潛航器、成像系統(tǒng)、作業(yè)工具和水聲定位系統(tǒng)等［1－2］。下面著重介紹下水下作業(yè)系統(tǒng)。

2.1.1 潛航器

潛航器本體一般由防腐蝕性好、強度高的材料制造，能夠為ROV水下設(shè)備提供安裝平臺和浮力。潛航器的推力來源于數(shù)套由電動馬達驅(qū)動的推進器，推進器一般由推進電機、控制器和與之配合的螺旋槳組成，這些推進器可以使ROV在水中完成各種精確的運動［1］。

每一個潛航器都有一套電子控制系統(tǒng)，這是ROV的核心部分，由計算機和接口電路組成，是ROV的大腦。電子控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r接收并處理水上控制系統(tǒng)的指令，同時將自身的狀態(tài)信息和采集到的各種圖像信息處理并回送，從而實現(xiàn)實時遙控。

2.1.2 成像系統(tǒng)

成像系統(tǒng)是淺海小型ROV搭載的重要設(shè)備之一，一般包括光學設(shè)備和聲學設(shè)備兩類。光學設(shè)備包括攝像機和彩色相機等；聲學設(shè)備包括圖像聲吶、避碰聲吶和雙頻識別聲吶等。

楊譯采用注釋性翻譯the beauty-and-talentedscholar來替代文中人物的音譯，并未特別音譯文中人物，在一定程度上起到了畫龍點睛的作用，大量節(jié)省了譯文篇幅且使譯入語讀者基本理解了原文欲表達的含義。

2.1.3 作業(yè)工具

根據(jù)任務(wù)目的的不同要求，ROV可以配備不同的執(zhí)行機構(gòu)，如機械手、海水取樣器、巖心鉆取器、升降式取樣器、可移動采樣籃、全鈦取樣器等［3－4］。

對于工作級ROV，通常前端都裝有兩個機械手，分工合作：右舷機械手為作業(yè)型機械手，自由度相對較多，一般為5～7個；左舷機械手為定位型機械手，較為簡單，但臂力較大。另外，根據(jù)任務(wù)的不同，配備不同的作業(yè)工具；對于觀察級等小型ROV，一般情況下只需配備功能較少的機械臂，其他小型的作業(yè)工具根據(jù)需要選配。

2.1.4 水聲定位系統(tǒng)

用于確定潛航器和母船的相對位置，若同時裝配了姿態(tài)傳感器和GPS定位系統(tǒng)，則可以確定潛航器的絕對位置。

2.2 國內(nèi)外最新研究成果

ROV最早誕生于20世紀50年代，當時幾個美國人將攝像機水密起來送入海底，這就是ROV的雛形。1960年世界上第一臺ROV——“CURV1”由美國海軍研制成功并獲得廣泛關(guān)注，20世紀70年代，ROV的研發(fā)獲得快速發(fā)展，一大批優(yōu)秀的ROV相繼出現(xiàn)，ROV產(chǎn)業(yè)開始形成。目前，在ROV制造研究方面，美國、加拿大、日本、英國、法國、德國和意大利等國處于領(lǐng)先地位［5－7］。

我國的ROV研發(fā)工作開始于20世紀80年代，目前，國內(nèi)ROV自主研制機構(gòu)主要有上海交通大學水下工程研究所、中國科學院沈陽自動化研究所、哈爾濱工程大學和中國船舶研究中心等［8］。近20年來，我國的水下機器人研究有了飛速的發(fā)展，能夠制造大、中、小型各種ROV。其中，上海交通大學水下工程研究所研制的一系列ROV，如觀察型ROV＿JTR－11、檢測型ROV＿JTR－21、輕工作型ROV＿JTR－31、工作型“海龍2號”ROV等，其性能指標均已接近或達到世界先進水平。

目前國內(nèi)外最先進的小型ROV及其主要技術(shù)指標見表1。

表1 目前國內(nèi)外最先進的小型ROV及其主要技術(shù)指標

2.3 一款小型ROV的選型與配置

在此基礎(chǔ)上完成了其他配置：① 聲學成像系統(tǒng)選擇了Blue View二維圖像聲吶，視角為130°×20°，最大探測距離100 m。根據(jù)項目不同要求，可以將Blue View聲吶安裝在ROV的前端作為前視聲吶，也可將其安裝在ROV尾部，聲吶方向根據(jù)需要朝上或朝下分別用來掃描海面及海底情況，并加裝了浮力材料以保持ROV的平衡。②定位系統(tǒng)選擇了法國IXSEA公司的GAPS聲學定位慣性導航系統(tǒng)，大大提高了ROV的定位精度，可以達到0.2%×斜距。其中，水下信標安裝在ROV上，GAPS換能器陣可用繩索吊于船舷，也可以用法蘭盤剛性安裝于船舷。

圖1 加拿大Sharkmarine的Stealth2 ROV

3 應用研究

3.1 海洋環(huán)境觀測

海洋科學研究需要連續(xù)、長時序的立體觀測資料，當前對于水面以上的全面觀測已經(jīng)基本實現(xiàn)，但是對水下環(huán)境的觀測以及認知卻還存在很大的不足，因此利用水下移動觀測平臺開展對水體及海底環(huán)境的觀測和研究必不可少。鑒于水下機器人的技術(shù)特點，可以進行定點和走航式觀測，能夠?qū)λw進行剖面或斷面的連續(xù)觀測，突破水體對遙感觀測手段的限制，獲得高分辨率的海洋環(huán)境觀測數(shù)據(jù)。

通過在ROV上搭載各種傳感器，可以吸收目前各種不同觀測手段的長處，既可以像調(diào)查船那樣巡航觀測，又可進入調(diào)查船以及潛水員無法進入的海域，它的作業(yè)成本和效率又遠優(yōu)于拖曳體，因此，它是海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)有益的補充和完善。

在軍事上，利用ROV搭載水下觀測儀器設(shè)備能夠進行方便靈活的隱蔽觀測，可以利用它對敏感海域的海底地形、噪聲場、內(nèi)波、聲道、溫躍層、密度場等與潛艇作戰(zhàn)關(guān)系密切的環(huán)境參數(shù)進行觀測，為未來戰(zhàn)場準確提供技術(shù)支撐。而在這方面，我國還尚未利用ROV技術(shù)開展相關(guān)應用，因此，今后應進一步加大在該領(lǐng)域的研發(fā)與應用力度。

具體應用方面，由于國內(nèi)外尚缺乏準確的水母定量監(jiān)測方法，國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心，利用ROV結(jié)合聲吶探測技術(shù)對水母的泳動姿態(tài)和速率進行了探測，以此來計算水母在剖面水體的通量，為水母監(jiān)測提供了技術(shù)支撐，為水母分布數(shù)量監(jiān)測方法研究提供了重要的技術(shù)研究手段。

3.2 海底管道探測

隨著海洋油氣開發(fā)的日益活躍，我國在渤海、東海及南海海域建設(shè)油氣田呈現(xiàn)明顯的逐年遞增的趨勢，作為油田開發(fā)生產(chǎn)重要組成部分的海底管線也越來越多，事故風險概率也將會相應提升。

截至目前，我國已建成的海底管線接近3 000 km，其中渤海11個油氣田的海底管線超過200 km，東海油田群約750 km，南海鋪設(shè)的海底管線已達1 900 km［9］。海底管道的鋪設(shè)方式主要包括平鋪在海床、挖溝不埋和挖溝淺埋等3種方式。海底管線的狀態(tài)除受鋪設(shè)方式的影響外，還會受復雜地形、海流沖刷、沙礫磨損管道和長期管道腐蝕等因素的影響。據(jù)統(tǒng)計，根據(jù)申請和施工時的海底管線使用年限，目前渤海海區(qū)有超過20條管線已經(jīng)到達使用年限，截至2030年已經(jīng)鋪設(shè)在渤海的海底管線將幾乎全部到達使用年限，存在海底管道泄漏的風險。海底管道事故不僅給海洋油氣生產(chǎn)造成直接的經(jīng)濟損失，而且由于大量油氣泄露還會對海洋生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)生產(chǎn)及沿海居民生活產(chǎn)生嚴重的影響。

ROV能夠在潛水員不能到達的深度和復雜的不安全海底環(huán)境下作業(yè)，并且在設(shè)備正常的情況下能夠長時間連續(xù)作業(yè)，通過搭載光學及聲學成像設(shè)備，可以對懸空、裸露的海底管道進行可視化精細探測。探測作業(yè)開始前需要對USBL和羅經(jīng)進行校準，ROV入水后，通過USBL和GPS為ROV提供位置信息，深度和方位信息由ROV內(nèi)置的高度計和羅經(jīng)獲得。到達預定地點后，利用高清數(shù)字攝像機記錄海底管道的高清圖像，在此過程中，前視聲吶作為輔助設(shè)備為ROV的運動和避碰提供信息。

在具體應用方面，國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心主持的2014年海洋公益性科研專項——《海底管道探測技術(shù)集成及風險評估技術(shù)研究與示范應用》項目中，以水下機器人作為觀測平臺，集成前視聲吶探測技術(shù)、超短基線定位技術(shù)以及溢油檢測傳感器技術(shù)對海底管道溢油事故進行了精細化探測，與合成孔徑聲吶探測技術(shù)形成了有效的補充，為海底溢油事故探測奠定了良好的工作基礎(chǔ)。此外，為了探查蓬萊19－3油田某平臺附近海域溢油點情況，2011年9月7—22日，國家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心組織外業(yè)團隊使用Stealth2型ROV對該平臺附近海域進行了外業(yè)調(diào)查。經(jīng)過多次探測，在距平臺北側(cè)30 m區(qū)域發(fā)現(xiàn)疑似油污分布區(qū)，通過水下影像分析，該區(qū)域海底多為人為清理后的痕跡，發(fā)現(xiàn)大量疑似油污分布的海底影像，并且尚未進行清理。從水下影像上分辨，油污有的呈顆粒狀分布，有的呈塊狀與海底表層沉積物混合在一起（圖2）。

圖2 ROV水下視頻截圖——平臺北側(cè)約30 m范圍內(nèi)海底油污影像

3.3 水下目標物探測

水下機器人不僅在海洋環(huán)境探測中發(fā)揮重要作用，在水下目標探測和識別中也具有獨特的優(yōu)勢。將聲吶和高清攝像機集成到水下機器人中，即可實現(xiàn)對水下目標的探測和識別，其中基于聲圖像識別目標技術(shù)可以遠距離區(qū)分水雷等小目標，但由于受海洋環(huán)境、背景噪聲等因素的影響，水聲圖像仍存在干擾大、分辨率低、像素信息少等問題。高清攝像機成像的圖像清晰，但由于光在水中傳播能力衰減很快，可識別的距離較近。因此，可以將兩種手段相結(jié)合，實現(xiàn)對水下目標的聲學和光學影像的探測識別。

此外，近幾年發(fā)展起來的激光成像技術(shù)也比較適合ROV使用，其成像質(zhì)量遠高于聲學成像，作用距離又比光學攝像機遠，同時可以提供準確的距離信息。

針對水下未知目標物的探測，構(gòu)建一個“圓環(huán)式”探測體系尤為重要，該探測體系的流程圖如圖3所示。其中，ROV主要應用于最后一個階段，即目標物鎖定并獲取實時影像信息。

圖3 水下目標物探測流程

在大范圍搜索階段，可以根據(jù)需要使用合成孔徑聲吶或高精度側(cè)掃聲吶、淺地層剖面儀、中淺水多波束系統(tǒng)和高精度磁力儀等設(shè)備搭配完成作業(yè)，在此過程中，設(shè)備的量程均設(shè)置為大量程模式，進行海底快速大面積的測量。大范圍搜索完成后，根據(jù)數(shù)據(jù)信息分析確定可疑目標物的大概位置，并縮小區(qū)域進行局部詳細排查，此過程可以使用合成孔徑聲吶或高精度側(cè)掃聲吶結(jié)合3D成像聲吶系統(tǒng)進行作業(yè)。其中，合成孔徑聲吶和側(cè)掃聲吶采用小量程設(shè)置，用于精確探測海底地貌特征，3D成像聲吶系統(tǒng)用于獲取海底目標物三維聲學影像信息。鎖定目標物后，通過船載ADCP結(jié)合ROV進行目標物實時影像信息的獲取。其中，船載ADCP用于探測作業(yè)海區(qū)的海流特征，為ROV的運動提供海流數(shù)據(jù)支持。另外，ROV通常不具備自主避碰功能，一般由操作人員應充分利用聲吶和攝像機等設(shè)備提供的信息實現(xiàn)靈活地避碰航行。在復雜的水下環(huán)境中，ROV既要按照設(shè)計好的路徑航行，又要避開高低不平、形狀各異的障礙物，對搜索區(qū)域進行全覆蓋，這要求操作人員必須具備豐富的操作技巧和經(jīng)驗。

4 結(jié)論

小型ROV機動靈活，安全高效，應用越來越廣泛，特別是在海底目標物探測方面具有巨大的優(yōu)勢，但ROV作業(yè)成果的好壞受到很多因素的影響，如ROV基本配置、成像系統(tǒng)的性能、定位系統(tǒng)的精度、海況等。下面就小型ROV的選型、配置及應用提出以下建議。

（1）ROV的選型和配置應從實際需求和經(jīng)費兩方面出發(fā)，科學、合理地配置ROV的各個系統(tǒng)。綜合考慮ROV的重量、體積、工作深度和作業(yè)海域的流速等因素，合理配置動力系統(tǒng)；成像系統(tǒng)建議配備高清攝像機等光學設(shè)備和高質(zhì)量的圖像聲吶等聲學設(shè)備；定位系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性直接影響ROV作業(yè)成果，超短基線定位系統(tǒng)的定位精度相對較低，但價格經(jīng)濟，可以在要求不高的情況下使用；慣性導航系統(tǒng)的定位精度較高，穩(wěn)定性好，但價格昂貴，可在經(jīng)費充足的情況下配置。

（2）使用ROV時應充分考慮海況和海流對作業(yè)的影響，在海流較大的海域，應選擇在低平潮期海流最小的時間段內(nèi)作業(yè)。

（3）ROV作業(yè)團隊應分工明確，統(tǒng)一指揮，作業(yè)過程中注意觀察附近海面情況。ROV每次下水前需要仔細檢查電子艙的密封性和推進器的性能，作業(yè)時要確保定位系統(tǒng)的支架安裝牢固，非作業(yè)期間需要及時回收。

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