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，能夠實現智能式自主航行；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、價格經濟等優點。隨著人類對海洋的開發利用，ROV在海洋探索研究中發揮著越來越重要的作用。目前廣泛應用于海洋環境觀測、海底管道探測、水下目標探測、海洋工程監測和水下考古等方面。

2 ROV系統概述

2.1 ROV的基本構造

ROV系統主要由水上控制系統和水下作業系統兩部分組成，二者之間通過臍帶纜相連接。其中，水上控制系統主要包括導航定位系統、超短基線定位系統（Ultra Short Baseline，USBL）、數據采集和處理軟硬件系統、ROV控制和收放系統等；水下作業系統主要包括潛航器、成像系統、作業工具和水聲定位系統等［1－2］。下面著重介紹下水下作業系統。

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水下設備提供安裝平臺和浮力。潛航器的推力來源于數套由電動馬達驅動的推進器，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，這是ROV的核心部分，由計算機和接口電路組成，是ROV的大腦。電子控制系統能夠實時接收并處理水上控制系統的指令，同時將自身的狀態信息和采集到的各種圖像信息處理并回送，從而實現實時遙控。

2.1.2 成像系統

成像系統是淺海小型ROV搭載的重要設備之一，一般包括光學設備和聲學設備兩類。光學設備包括攝像機和彩色相機等；聲學設備包括圖像聲吶、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 作業工具

根據任務目的的不同要求，ROV可以配備不同的執行機構，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，根據任務的不同，配備不同的作業工具；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，其他小型的作業工具根據需要選配。

2.1.4 水聲定位系統

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

2.2 國內外最新研究成果

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注，20世紀70年代，ROV的研發獲得快速發展，一大批優秀的ROV相繼出現，ROV產業開始形成。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先地位［5－7］。

我國的ROV研發工作開始于20世紀80年代，目前，國內ROV自主研制機構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。

目前國內外最先進的小型ROV及其主要技術指標見表1。

表1 目前國內外最先進的小型ROV及其主要技術指標

2.3 一款小型ROV的選型與配置

在此基礎上完成了其他配置：① 聲學成像系統選擇了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定位系統選擇了法國IXSEA公司的GAPS聲學定位慣性導航系統，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 海洋環境觀測

海洋科學研究需要連續、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基本實現，但是對水下環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境的觀測和研究必不可少。鑒于水下機器人的技術特點，可以進行定點和走航式觀測，能夠對水體進行剖面或斷面的連續觀測，突破水體對遙感觀測手段的限制，獲得高分辨率的海洋環境觀測數據。

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，既可以像調查船那樣巡航觀測，又可進入調查船以及潛水員無法進入的海域，它的作業成本和效率又遠優于拖曳體，因此，它是海洋環境立體監測系統有益的補充和完善。

在軍事上，利用ROV搭載水下觀測儀器設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、內波、聲道、溫躍層、密度場等與潛艇作戰關系密切的環境參數進行觀測，為未來戰場準確提供技術支撐。而在這方面，我國還尚未利用ROV技術開展相關應用，因此，今后應進一步加大在該領域的研發與應用力度。

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

3.2 海底管道探測

隨著海洋油氣開發的日益活躍，我國在渤海、東海及南海海域建設油氣田呈現明顯的逐年遞增的趨勢，作為油田開發生產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，南海鋪設的海底管線已達1 900 km［9］。海底管道的鋪設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。海底管線的狀態除受鋪設方式的影響外，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。據統計，根據申請和施工時的海底管線使用年限，目前渤海海區有超過20條管線已經到達使用年限，截至2030年已經鋪設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造成直接的經濟損失，而且由于大量油氣泄露還會對海洋生態環境、漁業生產及沿海居民生活產生嚴重的影響。

ROV能夠在潛水員不能到達的深度和復雜的不安全海底環境下作業，并且在設備正常的情況下能夠長時間連續作業，通過搭載光學及聲學成像設備，可以對懸空、裸露的海底管道進行可視化精細探測。探測作業開始前需要對USBL和羅經進行校準，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內置的高度計和羅經獲得。到達預定地點后，利用高清數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——《海底管道探測技術集成及風險評估技術研究與示范應用》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、超短基線定位技術以及溢油檢測傳感器技術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。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保障中心組織外業團隊使用Stealth2型ROV對該平臺附近海域進行了外業調查。經過多次探測，在距平臺北側30 m區域發現疑似油污分布區，通過水下影像分析，該區域海底多為人為清理后的痕跡，發現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——平臺北側約30 m范圍內海底油污影像

3.3 水下目標物探測

水下機器人不僅在海洋環境探測中發揮重要作用，在水下目標探測和識別中也具有獨特的優勢。將聲吶和高清攝像機集成到水下機器人中，即可實現對水下目標的探測和識別，其中基于聲圖像識別目標技術可以遠距離區分水雷等小目標，但由于受海洋環境、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合，實現對水下目標的聲學和光學影像的探測識別。

此外，近幾年發展起來的激光成像技術也比較適合ROV使用，其成像質量遠高于聲學成像，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，構建一個“圓環式”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，可以根據需要使用合成孔徑聲吶或高精度側掃聲吶、淺地層剖面儀、中淺水多波束系統和高精度磁力儀等設備搭配完成作業，在此過程中，設備的量程均設置為大量程模式，進行海底快速大面積的測量。大范圍搜索完成后，根據數據信息分析確定可疑目標物的大概位置，并縮小區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掃聲吶結合3D成像聲吶系統進行作業。其中，合成孔徑聲吶和側掃聲吶采用小量程設置，用于精確探測海底地貌特征，3D成像聲吶系統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用于探測作業海區的海流特征，為ROV的運動提供海流數據支持。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備提供的信息實現靈活地避碰航行。在復雜的水下環境中，ROV既要按照設計好的路徑航行，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驗。

4 結論

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勢，但ROV作業成果的好壞受到很多因素的影響，如ROV基本配置、成像系統的性能、定位系統的精度、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費兩方面出發，科學、合理地配置ROV的各個系統。綜合考慮ROV的重量、體積、工作深度和作業海域的流速等因素，合理配置動力系統；成像系統建議配備高清攝像機等光學設備和高質量的圖像聲吶等聲學設備；定位系統的精度和穩定性直接影響ROV作業成果，超短基線定位系統的定位精度相對較低，但價格經濟，可以在要求不高的情況下使用；慣性導航系統的定位精度較高，穩定性好，但價格昂貴，可在經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作業。

（3）ROV作業團隊應分工明確，統一指揮，作業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，作業時要確保定位系統的支架安裝牢固，非作業期間需要及時回收。

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