基于巡管應(yīng)用的水下機(jī)器人研究

王升浩 張 焱 黃大權(quán) 牛國瑜 崔新忠＊

（大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計全球各個地區(qū)，已經(jīng)鋪設(shè)了幾十萬千米的水下油氣管道。隨著科技的不斷發(fā)展，社會的不斷進(jìn)步，海底石油、天然氣和電力管道和通信電纜網(wǎng)絡(luò)還會不斷地增加，為了保證這些海下運(yùn)輸紐帶能夠安全正常地進(jìn)行工作，需要對這些管網(wǎng)進(jìn)行定期的檢測和維護(hù)。因此，利用水下機(jī)器人對水下設(shè)備管道進(jìn)行巡檢維護(hù)已經(jīng)成為一種共識。

自20世紀(jì)末，國外就已經(jīng)開始了針對水下管道檢測和跟蹤的實(shí)驗研究工作。他們在智能水下機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上開展了海底管道的辨識及利用管道進(jìn)行導(dǎo)航的試驗研究。我國從20世紀(jì)50年代開始相關(guān)的研究工作。目前，在實(shí)驗室環(huán)境下已經(jīng)對水中管道進(jìn)行自動監(jiān)測和跟蹤的試驗研究[1]。沈陽自動化研究所、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等科研院所在實(shí)驗室條件下，可以實(shí)現(xiàn)管道的自動識別、跟蹤和檢測。

1 水下巡管機(jī)器人設(shè)計

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計

1.1.1 推進(jìn)器

推進(jìn)器系統(tǒng)對于水下機(jī)器人特別重要，目前水槳作為推進(jìn)器，少量系統(tǒng)采用滑翔式或噴水推進(jìn)。螺旋槳的類型有固定、可變傾斜、對轉(zhuǎn)等[2]。

1.1.2 照明設(shè)備

在水下拍攝時應(yīng)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(dǎo)致光在海水中散射現(xiàn)象很嚴(yán)重，而散射現(xiàn)象會隨著照明強(qiáng)度增大而增大，此時就應(yīng)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(tài)，才能充分選擇出合適的光源，得到最優(yōu)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(zhuǎn)螺旋槳

現(xiàn)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(qū)域，在水下會表現(xiàn)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(lán)與綠的區(qū)域內(nèi)，較容易通過水，因此，在水下環(huán)境得到廣泛的使用。

1.1.3 能源系統(tǒng)

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

1.1.4 通信系統(tǒng)

水下無線通信技術(shù)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(yīng)用場合，如表1所示。

無法跨越水與空氣界面?zhèn)鞑ィ軠囟?、鹽度等參數(shù)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(jī)器人水中運(yùn)動的準(zhǔn)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(jié)合減少來自水下光線不佳產(chǎn)生的干擾，通過對傳感器所構(gòu)成的巡管模塊的程序編寫直接對水底管道進(jìn)行巡管。目前市面上的流速儀有很多種，有傳統(tǒng)的旋槳式的流速儀，也有聲學(xué)的流速儀。

2 水下環(huán)境感知技術(shù)

2.1 水下環(huán)境感知技術(shù)

水下環(huán)境感知技術(shù)是指智能水下機(jī)器人通過搭載的光學(xué)和聲學(xué)傳感器對未知區(qū)域進(jìn)行環(huán)境識別，由于水下環(huán)境自身的特殊性，使得智能水下機(jī)器人在環(huán)境感知方面的研究進(jìn)展較慢。水下環(huán)境感知技術(shù)主要分為聲吶目標(biāo)探測技術(shù)和光學(xué)目標(biāo)探測技術(shù)，其中常見的技術(shù)是聲吶目標(biāo)探測技術(shù)[3]。

表1 水下通信技術(shù)

聲吶目標(biāo)探測技術(shù):主要指利用聲吶原理和聲吶系統(tǒng)設(shè)備對水中目標(biāo)進(jìn)行探測的技術(shù)。按照聲吶的原理我們可以將其分為聲吶目標(biāo)主動探測技術(shù)和聲吶目標(biāo)被動探測技術(shù)。

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

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

2.2 載體模塊化設(shè)計

由載體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和任務(wù)載荷等模塊組成。先進(jìn)設(shè)計制造技術(shù)應(yīng)用在智能水下機(jī)器人，主要體現(xiàn)在載體的模塊化方面。目前，大多數(shù)智能水下機(jī)器人都是載體外形一體化，在外形設(shè)計上主要考慮外形的水動力性能，而內(nèi)部設(shè)備則是進(jìn)行模塊化設(shè)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(jié)構(gòu)，耐壓艙結(jié)構(gòu)多為球殼結(jié)構(gòu)和圓柱殼結(jié)構(gòu)。

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

對于機(jī)器人運(yùn)行而言，通信模塊是機(jī)器與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息交流的媒介，選用通信模塊的主要依據(jù)就是通信快、距離遠(yuǎn)、信息傳遞準(zhǔn)確。目前，比較流行的通信方式有Wifi、藍(lán)牙、通信光纖、無線網(wǎng)、ZigBee和NFC等，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[3]。考慮到水下機(jī)器人傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速度快其必須滿足通信訊號穩(wěn)定的要求，我們選擇通信光纖方式。機(jī)器上所配置的通信模塊體積小，便于安裝，能嵌入到大多數(shù)的產(chǎn)品中去，支持多種模式，也支持AT指令，有利于編程。

除上述構(gòu)成水下機(jī)器人必不可少的系統(tǒng)模塊外，實(shí)現(xiàn)以水下機(jī)器人為載體去實(shí)現(xiàn)水下巡管功能，必須搭載多個傳感器所構(gòu)成的傳感器功能模塊。機(jī)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(shí)時傳輸以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)視覺結(jié)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(yīng)的調(diào)整。選擇何種傳感器要根據(jù)機(jī)器人在水下工作所要實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的陸地巡管手段并不能全部適應(yīng)于水下環(huán)境等問題，我們在基于水下機(jī)器人現(xiàn)有的功能上，設(shè)計增添四個紅外傳感器與視覺識別相結(jié)合的創(chuàng)新方法以減少來自水下光線不佳產(chǎn)生的干擾。同時依托于紅外傳感器使用的紅外線探測技術(shù)，我們可以更加精確地找到管道在水下的布局與構(gòu)造。

3 水下機(jī)器人在巡管中的應(yīng)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(jìn)行開閉控制和流量調(diào)節(jié)。ROV因具有實(shí)時響應(yīng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、可減少潛水員下水危險性等特點(diǎn)，逐漸凸顯出其優(yōu)秀的水下工作潛力[2]。水下機(jī)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(fā)揮巨大作用。

基于水下機(jī)器人現(xiàn)有的功能，為了能讓其實(shí)現(xiàn)水下巡管所增加的巡管模塊去實(shí)體海域進(jìn)行測試，結(jié)果表明我們所創(chuàng)新設(shè)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(shí)時輸送清晰的圖像反饋給上位機(jī)。而我們所設(shè)計的由四個流速傳感器所構(gòu)成的移動優(yōu)化功能，相較于之前未安裝的設(shè)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(jié)語

當(dāng)前國內(nèi)部分行業(yè)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(huán)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(jī)器人的角色就顯得尤為必要。本次所設(shè)計水下巡管機(jī)器人，經(jīng)測試，實(shí)現(xiàn)了一定程度上的管道巡檢功能，為今后打造全方位無盲點(diǎn)智能化和自動化程度高的水下機(jī)器人來替換人力巡檢驗證了其可行性。