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1、观察型水下机器人ROV系统配置极其实际应用一、引言无人水下航行器(unmannedunderwatervehicle，UUV)，亦称无人潜水器，是一种以潜艇或水面船只为支援平台，能够在水下一定范围内航行并承担水下目标搜索、调查、识别和打捞作业任务的特定潜水设备，又被称为水下机器人。按其与水面支持平台间的不同联系方式，一般可以分为无人遥控潜行器(remotelyoperatedvehicle，ROV)和自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle，AUV)。按使用目的划分，水下机器人可以分为水下作业型和水下观察型两种。无人潜水器具有安全、高效、克服恶劣环境能力强等优点，
2、已经广泛应用于海洋工程等诸多领域。在英国石油公司的“深水地平线”漏油事件救灾过程中，水下无人系统再次成为世人关注的焦点。然而，ROV的系统配置将直接影响其作业性能。本文在分析水下机器人的基本结构的基础上，就观察型ROV的主要部件选配、传感设备搭载和整体配置原则等方面展开深入探讨，以期对ROV的设计生产和应用选型有所指导。二、ROV系统配置研究水下机器人ROV简介典型的ROV系统由水面设备部分和水下设备部分组成，两部分通过脐带缆连接。其中，水上部分主要包括甲板控制单元、绞缆车、释放回收设备、电源以及导航与数据采集系统等；水下设备部分则主要由潜水器、成像系统、水下声学定位跟踪系统以及机械臂等部分组
3、成。潜水器潜水器本体就是一个具有特定比重材料的浮力框架，并具有较好的抗撞击能力和抗腐蚀能力，是搭载各种传感器的基础平台，通过脐带缆与甲板控制单元连接。潜水器的推力来源于数套由电动马达驱动的推进器，这些推进器可以使ROV在水中完成各种精确的运动。每一个潜水器还有一个或者多个压力舱(也称电子舱)，舱中一般封装有各种控制电路、电源分配电路等，所有的外部指令以及自身的工作都要经过电子舱的处理。甲板控制单元包括系统控制计算机、操纵控制器、电源箱以及相关的显示和数据记录设备等，并通过脐带缆与潜水器连接。操纵人员可以实时监视ROV的基本性能、状态参数，并通过甲板单元发送各种控制指令，操纵水下潜器以及搭载的传
4、感器。成像系统成像系统是观察型ROV搭载的重要设备之一。水下成像系统一般分为光学和声学两大类。光学成像设备包括黑白导航相机、彩色相机及摄像机等；声学成像系统主要有扫描声纳、避碰声纳、双频识别声纳和聚焦多波束等。在水体清晰度和光照条件良好的环境下，光学系统是观察水下目标的首选。声学系统只能识别目标的整体轮廓和非同一平面内的细节特征，一般只是作为辅助手段。在光学成像条件极差或根本就不具备条件时，就只能借助声学成像系统进行目标观察。此外，声学系统还可以作为ROV水下航行的避碰手段。水下声学定位跟踪系统用于确定水下潜器与水面支持系统的相对位置，若同时装配了姿态传感器(含艏向)和GPS，则可以确定水下潜
5、器的绝对位置，即大地坐标。由于惯性导航系统造价太高，观察型的ROV大都只装备超短基线(USBL)定位系统，进行潜水器的跟踪定位。机械臂ROV在完成水下目标观察的同时，一般还需要装配一到两个机械手(臂)，以便执行诸如海底取样、线缆切割等水下作业任务。机械手的主要技术指标包括自由度、物理尺寸、抓取能力以及钳口扭矩等。潜水器与推进系统一台ROV通常有三组推进器，分别用来推动潜器在横向、纵向和垂向三个方向的运动。推进器的数量与功率需根据ROV的自身重量和作业水域环境等因素确定。目前，ROV的推进系统主要有槽道推进型和矢量推进型两大类。槽道推进型需要三组推进器，分别负责潜水器在前后、左右和上下三个方向的
6、运动，故也称三轴推进。槽道式推进器的推力方向固定并通过潜器重心。矢量推进器通过调整推水角度和转速，从而获得额外操纵力矩，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向的力用于调节纵倾，水平方向的力用于保持速度，因而，也称为全方向推进。与槽道式推进器不同，矢量推进器的推力可调且不一定通过潜水器的中心。矢量推进具有航行阻力小，动力效率高，可高速低耗行驶的优点，代表了推进技术的主流发展方向。使用矢量推进器替代槽道推进，还可以使潜器更加轻量化、小型化，改善潜器内部布置，更好地满足其操纵性能的要求。从另一角度来看，由于槽道式推进的三组推进器可以独立执行前后、左右和上下三个方向的运动，在静水区域完成高精准的动
7、作有一定优势。如果能使用以矢量推进技术为主、槽道式侧推为辅的混合式推进系统，可能会进一步改善ROV的操控性能。动力定位技术与定深定向动力定位系统成本较高，又考虑水下定位精度、时间延迟以及运载潜器的随动性等因素，观察型ROV一般不配备动力定位系统。但是，自动定向和自动定深功能是观察型ROV系统必须具备的性能，否则将为ROV的系统操控带来极大的不便。目标观察系统作为观察型的ROV的重要性能指标之一，目标观察系统一般分为光学和声学两大类。光学成像系统像场与景深受水体清晰度等条件影响，通过光学手段观察海底目标时，一般都需要尽量靠近目标才能获取比较好的成像质量。另一方面，距离目标太近，就很难获得目标的整
8、体轮廓，进而影响目标整体及细部的辨认。因此，在配备光学成像系统时，需要选择尽量大的像场以及更大的景深。根据光学成像原理可知，有效感光区域越大、焦距越小，则像场角越大。在给定的允许的模糊圈直径时，景深与对光调焦的物距和所取的光圈号数成正比，与摄影物镜的焦距成反比。表1为传统135相机在不同物距、焦距及光圈下所获得的像场与景深范围。可见，为了获取较大的像场与景深，就需要选择感光元件面积大、焦距小的相机，并配合较小光圈使用。由于鱼眼镜头的超短焦距等独特结构设计，其视角可以达到甚至超过180，用于观察目标的全貌具有独到的优势。水体情况与低照度相机选择水下的自然光环境一般都比较差，特别是渤海海区底质多为
9、细粉沙，河口附近多为泥沙底，沿岸地区水质大多比较浑浊，这就需要光学成像系统可以满足更低的照度(即正常成像所需最暗光强)，其主要取决于镜头的进光量和感光器件的敏感度。目前，主流低光相机的实验室划线平板灵敏度可以达到0.0001Lux/F1.4，甚至更低，现场灵敏度也低于0.01Lux。声学成像系统前视声纳前视声纳是主动声纳的一种，可以在探测方位的二维平面内发射一定频率的探测声波，同时接收该范围内的回波信号，通过成像系统可视化及图像镶嵌处理分析，得到环境物体的方位、大小和形态等信息。进而可以达到目标探测和避碰作用。双频识别声纳也可以归并为前视声纳的一种，其工作频率为兆赫兹级。系统利用超声波声学聚焦
10、成像原理，获得高分辨率的清晰水下目标图像，范围可以达到数十米。相关资料和试验表明，双频识别声纳可清晰识别汽车轮胎、鱼群、海底沙波等细小的特征物标。聚焦多波束也称多波束成像系统，它是一种聚焦多波束扫描声纳，聚焦波束宽可小于1，条带波束数达数百个，形成一定开角的扫描扇区，量程分辨率达厘米级，最大量程超过百米。与双频识别声纳相比，其量程更大；与常规的前视声纳相比，其扫描精度更高。声学成像系统不受水体的光学指标影响，非常适合光学成像系统不能使用的水体浑浊海域。照明系统在几十米海底黑暗背景下，要想获得满意图像，光源是光学相机清晰成像的重要因素。大部分ROV配置的是石英卤素灯，功率范围从几瓦特到数百瓦特。
11、光源是ROV基本配置，但用户可根据需要另配光源，与基本配置的石英卤素灯共同为水下光学成像提供照明。需要特别说明的是，不是光强越大，成像效果越好。光强太大，可能会造成图像超饱和现象。所以，照明系统应由固定亮度的灯源和可调亮度的灯源共同组成，两者协同工作，以便提供适宜光强。三、我国海域环境与ROV配置观察型ROV能否有效完成水下作业任务，除其自身性能外，主要受作业区域水流(潮流)、水体浑浊度及水深等客观条件和操控人员的技术水平等人为因素影响。水深情况渤海一般水深为2030m，最大水深达50m；黄海一般水深为5090m，最大水深达100m；东海、南海一般水深不超过200m，冲绳海槽最深达2700m以
12、上，南沙群岛与西沙群岛之间最深达5559m。目前，主流的ROV系统的工作水深基本上都超过300m。如需在更深的水域作业，则应增加潜水器及搭载设备的耐压水深和脐带缆长度。水流海水的流动是在潮流和海流的共同作用下而形成。黄、渤海海区由于水浅、海流弱，潮流的作用就显得很重要。在近岸及海峡、水道、港湾等狭窄处，因受地形限制多为往复流，而在外海则多为回转流。渤海潮流的流速一般为12kn，老铁山水道流速最大，可达6.25kn；黄海潮流的流速一般约为1.5kn，成山角附近可达3kn以上；东海地区的外海潮流较弱，多为旋转式；近岸大，多为往复式。浙闽沿岸潮流的流速约为3kn，长江口、杭州湾和舟山群岛附近，是我国
13、近海潮流最强的地区之一，最大流速可达5kn左右；南海大部分海区的流速为12kn，琼州海峡最大流速可达45kn。ROV推进系统决定了水下潜器的行进速度和定位与操控能力，水下潜器只有在克服了水流冲击的基础上才能逆水行进。如若所选设备计划在流速大的海域作业，就更须科学、合理配置ROV的推进系统。此外，潜水器的自重也直接影响其稳定性和可操控性。因此，需要合理配置潜水器的自重和推进功率。底质及水质情况渤海海区海底底质大部分为细粉沙，河口附近多为泥沙底，因此，该海域特别是沿岸地区水质大多比较浑浊，只有大连、秦皇岛等港区的水质比较清澈；黄海南部为沙和粘土质软泥组成，中部及河口附件则多软泥，沿岸多沙泥混合底质
14、；东海长江口及钱塘江口一带海底底质多为软泥或粉沙质软泥，浙江、福建沿海底质多为粉沙质软泥或粘土质软泥，台湾岛附近海域主要是岩石、砾石及泥沙底质；南海海底底质比较复杂，南海北部主要是泥沙、泥底，南海东部和中部主要是泥底，而岛屿附近海底主要是岩石、珊瑚底。可见，在渤海包括大部分沿岸水域，水质都比较混浊，在装配ROV时，必须重点考虑提高光学和声学成像系统的性能。四、实际应用与风险分析UUV能够在救灾、环境研究、港口安全等任务中起到辅助作用，具备在人类不可能适应的水深和温度下工作的能力。30多年前，ROV已经被用于深水工业，2010年英国石油公司(BP)的“深水地平线”漏油事件进一步显示了海上无人系统
15、对于救灾工作的价值和有效性。根据英国石油公司的说法，共有9个ROV被部署到墨西哥湾处理漏油事故，用于执行不同的任务，包括监控油井、支持激发防喷器(BOP)，以及从海底伸出一根喷雾棒向石油喷洒分散剂。于2010年7月中旬，ROV在5000英尺深的水下，为喷涌的“深水地平线”钻井安装了一个重15万磅的截油盖，用来容纳漏油，为最终的成功封堵发挥了决定性作用。除了英国石油公司部署的ROV之外，其他诸多组织也部署了水下无人系统来援助漏油事件，主要用于收集海水样本、绘制水下油柱的分布图等科研前期工作，以帮助估计石油的扩散情况以及石油对环境、生物的影响。2009年10月23日，中国“大洋一号”科考船使用“海龙2号”在太平洋赤道附近洋中脊扩张中心，找到高26m、直径约4.56m的巨大“黑烟囱”，并用五功能机械手准确抓获约7kg“黑烟囱”喷口的硫化物样品，顺利置放在样品框中带回科考船进行研究。应用ROV的主要风险，可以归纳为作业失败风险和设备坏损风险两大类。五、结束语ROV的选型与配置必须从实际应用出发，充分考虑作业区域的水文气象特点与执行任务的基本属性，合理确定水下潜器的自重和动力系统。为了减少脐带缆水流阻力，也可以选择微细光缆作为信息和指令的传输通道。科学搭配光学观察系统的视场与
