一種適應多目標的深海探測打撈系統研究

胡 測，魯 鵬，彭 俊

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

一種適應多目標的深海探測打撈系統研究

胡 測，魯 鵬，彭 俊

(中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

針對一般的水下機器人難以有效地實現不同種類的水下沉物打撈問題，研制一種高機動性、適應多種目標的深海探測打撈系統。該系統配備多個推進器實現水下打撈作業的靈活控制，安裝5功能液壓機械手實現小體積沉物的打撈，設計專用打撈工具，實現大體積、大質量沉物的打撈。針對不同沉物目標給出了具體的打撈方法，為深海沉物的打撈系統研制提供借鑒。

深海；探測打撈；專用打撈工具；打撈方法

0 引 言

水下探測打撈系統是一種重要的水下無人系統，在民用和軍用領域應用十分廣泛。在民用領域，隨著頻繁的海洋經濟活動和科學研究，不斷有潛水器、海洋探測儀器等貴重海洋工程設備丟失，需要對它們進行探測打撈、獲取數據、查找丟失原因[1–2]。同時飛機、輪船沉沒事故不斷發生，飛機失事后需要探測打撈黑匣子，分析出事原因；輪船沉沒需要打撈出重要物品。在軍用領域，海軍部隊在進行海上訓練、執勤時，不可避免發生訓練目標或測量儀器丟失事故，設備丟失后必須要進行打撈，以分析失敗原因、保護國家秘密。因此，十分必要研究一種專用深海探測打撈系統，以滿足日益緊張的水下打撈作業需求。

水下探測打撈系統要能適應復雜的海洋環境，須具備高效推進、靈活的空間運動能力，同時能在有限的空間配置不同的傳感器和打撈工具以滿足環境探測、目標識別、水下航行和水下打撈的需要[3]。國外比較著名的CURV系列機器人是典型的打撈系統，成功完成了丟失氫彈的深海打撈，開創了無人系統水下打撈的先例。國內經過多年的研究，先后研制出自走式海纜埋設機CISTAR、“海龍”號、8A 4等水下作業機器人，這些機器人以探測為主，雖然具備一定的水下打撈能力，但不能滿足打撈設備多樣性的需求[4–5]。

本文設計的探測打撈系統采用4個主推進器、3個垂直推進器的組合方式實現打撈作業時靈活的運動控制，配備5功能液壓機械手和專用打撈工具，可實現水下小物體、大體積物體以及重載沉物的打撈。

1 深海探測打撈系統組成

1.1 系統總體設計

深海探測打撈系統采用開放型結構，便于設備搭載、推進器布置和各設備安裝調試，最優地發揮各設備功能。系統由潛航體框架、浮力組件、綜合控制裝置、高壓直流能源裝置、探測識別裝置、推進器、打撈作業裝置組成。系統設計150 kg剩余浮力，以滿足不同情況下的設備搭載需求。系統如圖1所示，設備工作深度見表1。

1.2 推進裝置

深海探測打撈系統在海底打撈作業時需要良好的機動性、抗流能力和控位能力，本文采用多推進器組合推進方式來實現。推進裝置布置時盡量保證水平運動與垂直運動不耦合[6]，減少附加運動帶來的控制難度；保證機器人具有良好的直線航行能力、原地旋轉能力和左右平移能力，機器人同時要滿足垂直運動和打撈作業時姿態平穩。因此，水平方向采用4推進器環形45°的配置方式；中心垂直面60°對稱布置里2個推進器；尾部垂向布置1個垂直推進器，當機械手伸出作業時減小縱傾角，保持系統姿態平穩。推進裝置布置方式如圖2所示。

1.3 探測識別裝置

探測識別裝置實現打撈目標的搜索和二次定位，并輔助打撈作業。該裝置由聲吶、彩色攝像機、照明燈及可俯仰機構組成。聲吶和彩色攝像機固定支架上，照明燈分布于攝像機兩側并盡量遠離攝像機，構成探測裝置[7–8]。探測裝置固定在機器人的前部，在目標搜索、識別、打撈過程中可隨時調節俯仰機構輔助打撈作業。

1.4 打撈作業裝置

打撈作業裝置是深海探測打撈系統核心裝置，包括大功率5功能液壓機械手和專用打撈工具。通過機械手和專用工具的配合可實現小目標、輕載和重載3種沉物的打撈。水下小目標打撈時直接控制械手抓取；輕載打撈由機械手控制捕捉器捕捉目標，然后操控打撈系統返回母船，通過連接打撈目標的細鋼絲繩實現打撈；重載打撈由重載打撈轉接器，專用起吊竿和重載打撈繩索配合完成[9–10]。水下打撈示意圖見圖4。

2 水下打撈方法及流程

探測打撈系統完成打撈作業包括目標的搜索識別、打撈工具的掛放和目標的打撈回收3個過程，同時打撈目標的不同，具體打撈方法存在差異。

2.1 小目標打撈

打撈目標為黑匣子等質量、體積較小的目標時，水下打撈主要依靠液壓機械手完成，通過操控探測打撈系統和機械手配合可完成打撈工作。具體流程為：1）確定打撈區域；2）布放探測打撈系統；3）聲吶搜索目標；4）搜索到疑似目標后抵近目標，開啟照明燈和攝像機識別目標，并觀察周邊環境；5）打撈目標確認后，操控打撈系統，控制機械手打撈目標；6）回收打撈系統，流程如圖5所示。

2.2 輕載打撈

當打撈目標質量大于40 kg或尺寸超出機械手手抓尺寸時，需要輕載打撈工具實現打撈。通過探測打撈系統、機械手和專用工具的配合可完成打撈作業，具體方法如下：1）確定打撈目標；2）拆掉機械手手爪關節，安裝輕載捕捉器；3）打撈系統自檢完畢入水；4）打撈系統向目標點運動，開啟聲吶搜索目標；5）發現疑似目標后抵近確認目標；6）目標確認后控制打撈系統保持平穩，操作機械手控制捕捉器捕捉目標；7）攝像機確認目標捕捉完成后，探測打撈系統后退并控制機械手松開捕捉器；8）操控打撈系統上浮，小絞車系放細鋼索；9）打撈系統回收完畢后，通過細鋼索打撈輕載目標。具體打撈流程如圖6所示。

2.3 重載打撈

重載打撈時，目標可為無錨索目標和攜帶錨索裝置的目標兩類。攜帶錨索裝置目標打撈只需通過打撈系統攜帶錨鏈破斷器破斷錨鏈，目標浮出水面即可完成打撈。無錨索目標打撈時，具體打撈方法如下：1）確定打撈目標；2）拆掉機械手手爪關節并安裝捕捉器；3）打撈系統自檢完畢入水；4）打撈系統向目標運動，開啟聲吶搜索目標；5）發現疑似目標后抵近確認目標；6）目標確認后控制打撈系統保持平穩，操作機械手控制捕捉器捕捉目標尾翼；7）通過攝像機確認目標捕捉完成后，探測打撈系統后退并控制機械手松開夾具；8）操控探測打撈系統上浮，打撈系統的小絞車系放鋼索；9）通過細鋼索安裝攜帶粗鋼索的重載轉接器，重載轉接器沿著細鋼索下滑與起吊竿對接；10）對接完成后通過粗鋼索打撈。重載打撈流程如圖7所示。

3 探測打撈試驗

系統調試完畢后，針對不同打撈目標開展了打撈試驗，驗證系統的可靠性和打撈性能。

3.1 小目標打撈

選定一開闊水域，分別布放一類似海底鎧裝電纜沉底目標和一小型懸浮目標，分別開展了打撈試驗。試驗過程中，探測打撈系統先通過前視聲吶大范圍搜索目標，遠距離發現疑似目標后抵近觀察，通過攝像機確認為打撈目標后，操作打撈系統的水下姿態位置和機械手的動作完成目標的抓取，抓取成功后控制打撈系統上浮完成打撈作業。典型目標打撈如圖8所示。

3.2 輕載目標打撈

選定一寬闊、水底相對干凈的水域，布放一重300kg，直徑為533mm的典型航行器目標。探測打撈系統自檢完畢后，將機械手手抓關節替換為捕捉器。系統布放入水，開啟前視聲吶搜索目標，聲吶發現目標后，操作推經裝置使打撈系統抵近目標，通過攝像機確認目標控制探測打撈系統水中位置及姿態，操作機械手捕捉目標，目標捕捉完畢后系統浮出水面，通過細鋼索直接打撈目標。水下輕載捕捉如圖9所示。

3.3 重載目標打撈

選定一合適水域，布放一重1 t，外形不規則海工設備目標。探測打撈系統自檢完畢后，將機械手手抓關節替換為捕捉器。系統布放入水，開啟前視聲吶搜索目標，聲吶發現目標后，操作推經裝置使打撈系統抵近目標，通過攝像機確認目標控制探測打撈系統水中位置及姿態，操作機械手捕捉目標，目標捕捉完畢后系統浮出水面并釋放細鋼索，通過細鋼索掛放重載打撈轉接器，重載打撈轉接器順著細鋼索下滑鎖住起吊竿，與目標連為一體，通過與重載轉接器相連的粗鋼索直接打撈目標。重載轉接器捕捉目標如圖10所示。

4 結 語

本文針對一般水下機器人難以滿足水下多類沉物打撈作業的問題，提出了一種探測打撈系統，系統在有限的空間里配備多推進器以提高打撈作業控位能力，安裝5功能液壓機械手以實現小目標打撈。同時充分利用機械手的靈活性，設計與之匹配的捕捉器用于目標捕捉，并設計重載打撈轉接器、起吊竿、水下絞車等專用打撈工具，實現不同種類的沉物目標打撈。針對不同種類打撈目標，本文給出了打撈方法和試驗結果，為水下沉物打撈系統的設計提供借鑒。

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Research on a deep sea detection and salvage system adapted to multip le targets

HU Ce,LU Peng,PENG Jun
(The710Research Institute of CSIC,Yichang 443003,China)

In order to solve the problem of general underwater robot can not effectively salve underwater target,we develop a deep-sea salvage system with high flexibility and adaptability.The system installs a number of thrusters to achieve the flexible control ability of underwater salvage.After this,it equips with five function hydraulic manipulator to salve small volume target and special salvage tools to achieve large volume and high quality target salvage.Then,the salvage methods for different targets are given which can be used as reference in deep-sea salvage system design.

deep-sea；diction and salvage；special salvage tools；salvage methods

TP273

A

1672–7649(2017)12–0095–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.020

2017–04–22；

2017–07–12

胡測(1987–)，男，碩士研究生，工程師，主要從事水下航行器控制系統研究。