小型水下機器人在復雜水下地形中的目標搜尋應用

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(1.上海海事大學 水下機器人與智能系統實驗室，上海 201306；2.華中科技大學 船舶與海洋工程學院,武漢 430074)

常見的水下機器人可分為ROV(remotely operated vehicle)和AUV(autonomous underwater vehicle)兩類。由于AUV基本上還處于研究和試用階段，一些關鍵技術還有待突破，尚難在工程應用中大范圍推廣。但利用水下機器人ROV探測水下目標物、鋪設管線等工程應用已有先例[1-3]，基本上是大中型的ROV設備，一般都配置有精密儀器以及專用的執行工具，具有操作復雜、對水面保障系統要求高、需要專業技術人員支持以及作業成本昂貴等特點。一般的水下工程難以采取此類作業方案。通用的小型ROV具有水下運動控制靈活、收放維護簡便以及造價相對低廉等優點，研究其執行水下任務的一般方法具有重要的意義[4-5]。目前大部分的文獻著重于理論方法的研究和應用前景的展望[6-8]，較少涉及水下工程應用。

本文結合一次成功的水下小目標搜尋案例，對運用小型ROV在局部范圍內執行水下搜尋任務的方法進行研究和總結，提出一種效率較高、操作簡易以及成本較低的水下目標物搜索方案。

1 搜尋任務背景

2010年8月至12月，某地方部門采取了多種手段(水面船舶拖滾鉤做拉網式搜索，水下探照攝像以及潛水員潛水摸索等)尋找沉于湖北荊門漳河水庫底的兩件目標物，但由于目標物散落在1 000 m×1 000 m水域范圍內，且水下環境過于復雜(水深變化范圍在4～70 m之間；水下地貌呈現陡坡、溝谷及深坑等；水底覆蓋有水草、泥沙、巖石、沉積物、樹木及殘留建筑物等)。搜尋效率低、風險大、耗時長，在耗費了大量的人力、物力和財力之后仍未找到目標物。

2010年12月，運用小型ROV設備、側掃聲吶及手持GPS定位系統等設備，協助地方部門開展水下搜尋任務。采用的ROV是美國OUTLAND公司主要用于觀測的小型水下機器人OUTLAND1000，體積約為70 cm×40 cm×30 cm，配置了兩個水平推進器、一個垂向推進器以及一個側向推進器，艏向裝有前視成像探測聲吶以及具有前后360°旋轉視角的水下攝像頭，見圖1。

圖1 OUTLAND 1000 ROV

2 搜尋任務準備

2.1 ROV作業準備

1)環境評估。環境評估包括水面風速風向、雨雪、浪涌、氣溫、水深、水下地貌、水底物質構成等。水面的情況可能對作業船舶及甲板上的作業人員造成不同程度的影響，在環境惡劣的情況下必須暫停作業。水下的情況也對ROV的配置提出不同的要求，比如水底光線不足要求ROV提供足夠亮度的照明，水體透明度較差，則除了配備水下攝像機之外，需要配置成像聲吶來探測超視距的目標，見圖2。

圖2 前視聲吶探測目標

2)設備檢查。設備檢查包括照明攝像系統、防水接插件、各種執行器和傳感器等部件的完好和密封性；ROV浮力材配載和平衡位姿調節。

3)人員配置。人員配置包括設備裝配與收放作業人員、指揮調度人員、ROV操作人員及船舶定位人員等，見表1。各工作人員分工必須明確固定，保持順暢的通信及任務協作。

表1 基本作業人員配置

2.2 ROV搜索路徑規劃

一般情況下，搜索范圍均遠大于ROV的探測范圍，為實現整個搜尋水域的全覆蓋以及提高執行搜尋任務的效率，需要事先做好搜索區的劃分和搜索路徑的規劃工作。路徑規劃見圖3。

圖3 路徑規劃

圖3a)和圖3b)所示為AUV常用的搜索路徑，但是對于與水面控制臺有臍帶纜相連的ROV，這種路徑并不適合。其原因主要有兩點：①ROV由人操縱，難以實現精確的路徑走向；②在水底高低不平、障礙物較多或者有水流影響等狀況下，ROV的繞轉運動容易導致其臍帶纜被障礙物絆住，甚至纏繞，從而導致其陷入困境無法脫身。因此，在復雜的水下環境中，為保障ROV自身安全，一般采取定向直航的單向搜索路徑，在完成一趟單程搜索之后，將ROV上浮回收，再從起點開始下一條路徑的搜索。圖3c)顯示了較為實用的ROV放射狀搜索路徑的規劃方案。圖中位置A為ROV搜索的起始點(也就是水面母船的停泊位置)，ABCD所圍成的正方形區域為單塊搜索區，其對角線的長度LAC必須滿足式(1)。

(1)

式中：L——ROV最大可用纜繩長度；

D——區域最大水深。

因此，單塊搜索區的面積S為

(2)

整個搜索范圍可劃分成若干單片搜索區，每個子區以A為起始點，做直線(ROV定向)單程搜索，扇形覆蓋搜索子區。在完成單塊搜索區之后，船舶定位到另一塊搜索子區，重復類似的搜索過程，直至搜索到目標為止。

若具備探測水底地貌的側掃聲吶等設備，可先使用該設備獲取整個搜索范圍的水深和水底概貌等信息，從中標定可疑的目標點。根據可疑目標點的分布情況，縮小并劃定搜索區，再利用ROV進行搜索，由此可以提高搜索效率。

2.3 水面定位

由于水面風浪的影響，母船在水面出現較大的漂移可能導致ROV被拖離作業區，若遇上纜繩被障礙物纏繞則可能導致纜繩破斷及ROV損失。因此，水下搜索任務的展開必須考慮水面風浪的影響，做好母船的錨定工作，見圖4。目前在水面可以采用船舶動力定位系統，水下可采用短基線定位系統，一般的工程應用中若不具備該條件，可以采用簡易的定位策略：水面GPS定位設備實時監測母船的動態位置變化，利用母船自身動力將漂移控制在一定的范圍內，或者配備一艘拖船來協助母船定位。

圖4 船舶定位與ROV水下作業

3 水下目標搜尋

3.1 探測水下地貌

首先，在船上利用手持GPS終端測定范圍為1 000 m×1 000 m水域的坐標。接下來利用側掃聲吶探測該水域內的水底地形，初步獲取水下地貌及可疑目標物的信息。

具體過程是將聲吶置入水中適當深度，通過拖纜連接到母船上的終端設備，靠母船拖行對水底地貌進行掃描。作業過程中發現母船難以保持勻慢速(航速2 kn左右)的航行狀態，這導致了聲吶獲取的水底地貌圖像不理想。同時，由于船艉螺旋槳轉動在水面產生了波浪和氣泡，這對聲吶圖像造成嚴重的噪聲干擾。因此將方案改進為由一艘機動小船來拖動母船，母船關停螺旋槳，完全靠拖船慢速拖行。這種改進的方案使得母船基本保持了2 kn的慢速直線運動，尾流和氣泡大大減少，側掃聲吶探測到清晰的水底地貌信息。在獲取整個搜索范圍內的地貌圖后，根據目標的特征，圈定可疑目標點。由于水下環境復雜，經排查后可疑目標點達13處，見圖5。

3.2 劃定搜索分區

根據水底地貌圖上的可疑目標點的分布情況，進一步縮小搜索范圍，劃定I、II、III、IV和V等5個正方形的搜索子區。每個搜索子區的邊長由式(1)確定，搜索路徑按圖3c)進行規劃。由于水下機器人自帶的纜繩長L=300 m，由側掃聲吶圖像估算出搜索水域內的水深在4～60 m區間，充分考慮余量之后，劃定每片搜索子區的面積為

圖5 按可疑目標點劃分搜索子區

200 m×200 m。確定搜索子區后，將母船定位到各子區，再釋放ROV對各子區進行全覆蓋搜尋。母船的定位結合了電子地圖和GPS手持終端設備的數據，在計算機屏幕上監控母船位置的動態變化。由于母船本身不具有動力定位系統，因此由一艘拖船協助控制母船的漂移量。ROV從I～V區逐片實施全覆蓋搜索，采用圖3c)所示搜索路徑。

3.3 ROV避障策略

ROV通常不具備自主避障的功能，一般由操作人員充分利用聲吶和水下攝像等設備提供的信息來實現靈活的避障航行。在復雜的水下地形環境中，ROV既要按照事先規劃好的路徑航行，又要避開高低不平、形狀各異的障礙物，對區域進行全覆蓋的搜索，這要求操作人員具備豐富的操作經驗和技能。為ROV制定避障規則可以有效地指導操作人員操控ROV，保證設備安全及順利完成作業任務。常見的水下環境狀況及ROV相應的避障規則見表2。

3.4 搜尋結果

ROV在搜索I區時，深度傳感器數據顯示I區相對水深較淺；前視聲吶圖像顯示該區地勢平緩，水中障礙物較少；水下攝像視頻顯示水底主要物質為硬質沙土。因此，整個搜尋過程比較順利，很快發現其中一件目標物。接下來根據有關部門給出的線索，判斷另一目標出現的位置應該在I區的西北方向。由此排除II區和V區的可疑點，將搜尋范圍縮小在III區和IV區內。

表2 ROV避障規則

ROV在搜索IV區過程中，發現水底地形異常復雜，水深變化在20～50 m的范圍內，有陡坡、巖石、樹樁等障礙物，水底主要物質為松軟的灰褐色沉積物。當ROV撞擊沉積物或者垂直推進器運轉的時候，水體被攪渾，而且長時間內難以恢復澄清。這導致攝像頭觀察效果變差，搜索進度緩慢。根據表2的第4條及第5條規則，將ROV的垂直推進器關閉以避免攪渾水體；將ROV配載成略負浮力狀態以實現自然的下坡滑行運動；將ROV姿態配置為略縱后傾，使得水平推進器的推力方向為斜向上，由此實現上坡運動。最終搜索結果是在IV區約37 m水深處的某個斜坡上成功搜尋到另一個目標。至此，整個搜尋任務圓滿完成，實際作業7 天，操作人員6名。

4 結論

由于水面和水下環境的不確定性和復雜性，在局部水域范圍內搜尋水底小目標是一項難度較高的任務。充分利用小型水下機器人的深水探測能力，結合其他相關探測設備，采取適當的搜索策略及水面定位技術，可以實現高效率、低風險和低成本的水下目標搜尋作業。

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