基于巡管應用的水下機器人研究

王升浩 張 焱 黃大權 牛國瑜 崔新忠＊

（大連海洋大學信息工程學院，遼寧 大連 116023）

0 引言

據統計全球各個地區，已經鋪設了幾十萬千米的水下油氣管道。隨著科技的不斷發展，社會的不斷進步，海底石油、天然氣和電力管道和通信電纜網絡還會不斷地增加，為了保證這些海下運輸紐帶能夠安全正常地進行工作，需要對這些管網進行定期的檢測和維護。因此，利用水下機器人對水下設備管道進行巡檢維護已經成為一種共識。

自20世紀末，國外就已經開始了針對水下管道檢測和跟蹤的實驗研究工作。他們在智能水下機器人技術的基礎上開展了海底管道的辨識及利用管道進行導航的試驗研究。我國從20世紀50年代開始相關的研究工作。目前，在實驗室環境下已經對水中管道進行自動監測和跟蹤的試驗研究[1]。沈陽自動化研究所、上海交通大學、哈爾濱工程大學等科研院所在實驗室條件下，可以實現管道的自動識別、跟蹤和檢測。

1 水下巡管機器人設計

1.1 基礎設計

1.1.1 推進器

推進器系統對于水下機器人特別重要，目前水槳作為推進器，少量系統采用滑翔式或噴水推進。螺旋槳的類型有固定、可變傾斜、對轉等[2]。

1.1.2 照明設備

在水下拍攝時應該選擇波長較短的光源。但同時也要考慮到海水不是純凈水，里面存在很多渾濁物，其透明度不好，導致光在海水中散射現象很嚴重，而散射現象會隨著照明強度增大而增大，此時就應該考慮波長適中的光源。只有綜合考慮水下的各種情況和狀態，才能充分選擇出合適的光源，得到最優的照明效果。

圖1 固定螺旋槳

圖2 可變傾斜螺旋槳

圖3 對轉螺旋槳

現今水下照明的光源多采用碘化鉈燈、LED燈、氙燈等。我們通常使用的白熾燈在水下拍攝的能見度較差，其原因在于白熾燈的輻射光主要集中在紅色區域，在水下會表現出衰減大、效率低等問題。LED燈的效率基本與碘化鉈輻射光的效率相同，其輻射光也在藍與綠的區域內，較容易通過水，因此，在水下環境得到廣泛的使用。

1.1.3 能源系統

能源是限制水下無人航行器作業的主要因素之一，通常限定航行器的任務參數，如續航能力、速度、工作深度和任務載荷。水下機器人能源系統采用蓄電池、燃料電池、太陽能電池和熱氣機等，使用以保證航行器具備安全航行和作業任務所需的獨立能源。由于尺寸和安全的需求，蓄電池是水下機器人采用的主要能源方式。

1.1.4 通信系統

水下無線通信技術主要可以分成三大類:水下電磁波通信、水下量子通信和水聲通信，它們具有不同的特性及應用場合，如表1所示。

無法跨越水與空氣界面傳播，受溫度、鹽度等參數影響。

1.2 流速傳感器

圖4 紅外傳感器

采用四個流速傳感器組合，測量水中的流速矢量，提高機器人水中運動的準確性和可靠性。

圖5 流速傳感器

用多個紅外傳感器與視覺識別相結合減少來自水下光線不佳產生的干擾，通過對傳感器所構成的巡管模塊的程序編寫直接對水底管道進行巡管。目前市面上的流速儀有很多種，有傳統的旋槳式的流速儀，也有聲學的流速儀。

2 水下環境感知技術

2.1 水下環境感知技術

水下環境感知技術是指智能水下機器人通過搭載的光學和聲學傳感器對未知區域進行環境識別，由于水下環境自身的特殊性，使得智能水下機器人在環境感知方面的研究進展較慢。水下環境感知技術主要分為聲吶目標探測技術和光學目標探測技術，其中常見的技術是聲吶目標探測技術[3]。

表1 水下通信技術

聲吶目標探測技術:主要指利用聲吶原理和聲吶系統設備對水中目標進行探測的技術。按照聲吶的原理我們可以將其分為聲吶目標主動探測技術和聲吶目標被動探測技術。

有目的地主動從系統中發射聲波的稱為主動聲吶，利用接收換能器基陣接收目標自身發出的噪聲或信號來探測目標的聲吶稱為被動聲吶。

目前，安裝在ROV機器人本體上的探測聲吶主要使用的是前視聲吶、側掃聲吶、剖面聲吶、多普勒聲吶和聲相關聲吶、通信聲吶等[3]。

2.2 載體模塊化設計

由載體結構、控制系統、導航系統、能源系統、推進系統、通信系統和任務載荷等模塊組成。先進設計制造技術應用在智能水下機器人，主要體現在載體的模塊化方面。目前，大多數智能水下機器人都是載體外形一體化，在外形設計上主要考慮外形的水動力性能，而內部設備則是進行模塊化設計。

同時，為滿足水下密封和承壓的使用要求，他們通常使用耐壓艙結構，耐壓艙結構多為球殼結構和圓柱殼結構。

利用水下機器人進行水下管道的檢測最重要的是要對其進行可控式的移動，所以應首先確定水下機器人的驅動模塊，根據動力來源可以將驅動系統分成兩大類：主動式和被動式。主動式機器人就是具有自主移動能力的機器人，而被動式的機器人不具備自主移動的能力，本項目所研究的水下巡管機器人是在針對水下管道的外面作業，因此，驅動模塊部分的設計應選主動式系統去設計。

對于機器人運行而言，通信模塊是機器與上位機系統進行信息交流的媒介，選用通信模塊的主要依據就是通信快、距離遠、信息傳遞準確。目前，比較流行的通信方式有Wifi、藍牙、通信光纖、無線網、ZigBee和NFC等，它們都有各自的優缺點[3]。考慮到水下機器人傳輸距離遠，數據傳輸速度快其必須滿足通信訊號穩定的要求，我們選擇通信光纖方式。機器上所配置的通信模塊體積小，便于安裝，能嵌入到大多數的產品中去，支持多種模式，也支持AT指令，有利于編程。

除上述構成水下機器人必不可少的系統模塊外，實現以水下機器人為載體去實現水下巡管功能，必須搭載多個傳感器所構成的傳感器功能模塊。機器人在水下通過各類傳感器來獲取外界信息，如攝像頭獲取圖片信息，將信息通過連接通信模塊實時傳輸以實現與上位機視覺結合的功能；壓力傳感器可以獲取外界的壓力信息，感知水下液體對自身的壓力變化來做出對應的調整。選擇何種傳感器要根據機器人在水下工作所要實現的功能來決定，攝像頭必不可少。

由于水下探測會遇到水下光線昏暗，可見度不高，再加上水的液體特性，傳統的陸地巡管手段并不能全部適應于水下環境等問題，我們在基于水下機器人現有的功能上，設計增添四個紅外傳感器與視覺識別相結合的創新方法以減少來自水下光線不佳產生的干擾。同時依托于紅外傳感器使用的紅外線探測技術，我們可以更加精確地找到管道在水下的布局與構造。

3 水下機器人在巡管中的應用

水下管道大部分采用無縫鋼管焊接和使用法蘭等連接裝置連接成長距離管道，并使用閥門進行開閉控制和流量調節。ROV因具有實時響應、擴展性強、可減少潛水員下水危險性等特點，逐漸凸顯出其優秀的水下工作潛力[2]。水下機器人依靠自身所搭載的傳感器以及可操作性，可以在水下管道檢測方面發揮巨大作用。

基于水下機器人現有的功能，為了能讓其實現水下巡管所增加的巡管模塊去實體海域進行測試，結果表明我們所創新設計的巡管模塊安裝后可以充分地完成對淺海海域的水下管道的檢測并且可以實時輸送清晰的圖像反饋給上位機。而我們所設計的由四個流速傳感器所構成的移動優化功能，相較于之前未安裝的設備，在消除外界水流影響方面有著一定程度的改善，使得水下管道的檢測更加高效。

4 結語

當前國內部分行業針對日常剛需的巡檢工作中諸多問題一直不能很好地解決，如危險環境、人員安全、緊急處理、成本消耗等，針對這種情況，水下巡檢機器人的角色就顯得尤為必要。本次所設計水下巡管機器人，經測試，實現了一定程度上的管道巡檢功能，為今后打造全方位無盲點智能化和自動化程度高的水下機器人來替換人力巡檢驗證了其可行性。