一款中型水下機器人改進設計

路曉磊，陳 默，楊德鵬，蘭麗茜，張洪欣

（1.國家海洋局北海海洋技術保障中心，山東青島 266033；2.哈爾濱工程大學水聲工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

水下機器人根據有人和無人可以分為水下載人航行器（Human Occupied Vehicle，HOV）和水下無人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV），水下無人航行器包括遙控無人航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）和自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）[1-3]。隨著人類對海洋開發的日益重視，水下機器人在海洋科學研究、海洋資源調查、海洋工程、水下考古搜救、海洋權益維護等領域應用廣泛[4-6]。文中介紹了一款中型觀察級ROV，并對其進行了部分改進設計，在東海海域進行了水下目標物探測試驗。

1 海狼3型ROV

海狼3 型ROV 是加拿大Sharkmarine 公司生產的一款中型觀察級ROV，最大下潛深度為300 m，具有定深、定向、定速等功能，基本可以滿足我國近海水下探測需求。系統主要由ROV 本體、ROV 絞車和水面控制單元組成。

1.1 ROV本體

海狼3 型ROV 本體采用模塊化結構[7]，主要包括水密耐壓殼體、動力推進系統、電子控制、探測系統、導航通信等幾部分。

殼體采用防腐耐壓浮力材料，在動力推進系統方面，配備有4個2馬力的推進器，其中水平推進器和垂直推進器各2個；電子控制由計算機和接口電路組成；在探測系統方面，配備有一個前置高清彩色攝像機，一個后置彩色攝像機，一個高清彩色照相機，一個五功能機械手，3個150 W石英鹵素燈，一個高度計，一個激光測距儀；在通信導航方面，配備了法國GAPS超短基線定位系統。

GAPS 的主要技術指標為：

1）定位精度：0.2%×斜距；

2）角度精度：0.12°；

3）距離精度：0.2 m；

4）有效距離：3 000 m；

5）覆蓋范圍：200°（以換能器為中心的200°半球形范圍內）；

6）換能器耐壓深度：100 m。

1.2 ROV絞車

ROV 絞車配備有300 m 臍帶纜，用于ROV 與甲板單元之間的信號傳輸，通過收放控制器手動控制纜繩的收放，最大收放速度為0.5 m/s。

1.3 水面控制單元

水面控制單元通過ROV 絞車的臍帶纜對ROV本體提供動力并進行實時遙控。水面控制單元內裝有一套ROV 軟件操控系統，可以實現ROV 基本設置、任務規劃、狀態監控、導航控制、采集畫面顯示、數據記錄等功能。此外，水面控制單元還單獨配備ROV 操控手柄和機械手操控手柄，如圖1 所示。

圖1 水面控制單元

2 系統改進設計

經過常年使用，海狼3 型ROV 推進系統出現了故障、老化，電子控制系統的接口類型和數量無法滿足新型傳感器的集成，軟件系統需要進行升級等一系列問題，因此文中進行了相應的改進設計。

2.1 推進系統改進

海狼3 型ROV 的推進系統由推進器和驅動模塊組成，采用的是推進器和驅動模塊分離式的設計[7-14]。

2.1.1 推進器改進

海狼3 型ROV 目前采用的是Innerspace 公司的3600SE 型推進器，該推進器目前已停產，因此維修難度及成本較高。此次改進采用了更為主流的Tecnadyne 公司的Model560 型推進器，其重量更輕，推進能力更強，并且尺寸適配海狼3 型ROV 現有的推進器安裝開孔。兩款推進器的指標如表1 所示。

表1 兩款推進器指標對比

2.1.2 驅動模塊改進

更換推進器之后相應的驅動模塊也需要重新設計，Model560 型推進器的控制信號為+/-5 V 的模擬信號，而且沒有地址信號。驅動模塊經過充油抗壓處理，整體安裝在電子艙外面，通過一條線纜和電子艙連接，Model560 型推進器直接連接在驅動模塊上。驅動模塊主要包括以下功能：

1）提供通訊功能，接收來自控制軟件的控制指令；

2）提取控制指令中的速度和方向信息，并轉換成+/-5 V 控制信號；

3）接收Model560 型推進器的速度反饋信息，并轉換成數字信息傳輸到控制軟件。

ROV 驅動模塊控制信號流程如圖2 所示。

圖2 ROV驅動模塊控制信號流程

2.2 電子控制系統改進

2.2.1 控制電路改進

電子控制系統需要實時地接收并處理水面控制系統的指令，對ROV 的狀態信息和探測系統獲取的相關信息進行實時處理并回傳，實現ROV 的實時遙控[15-17]。海狼3 型ROV 采用的控制板型號為ST2CB 100，其接口數量和類型固定，不具備擴展性，不利于后期的擴展與集成。

此次改進采用了接口數量和類型更為豐富的ROV-MCI-100 控制板，單個板卡能夠提供64 路模擬和數字通道，并且可以疊加使用，接口類型包括GPIO、PWM、I2C、4 通道AI、Video、Ethernet、RS232/RS485 等。控制板部分接口如圖3 所示。

圖3 ROV-MCI-100控制板部分接口

2.2.2 電子艙后蓋改進

電子艙的后蓋新增了兩個接頭，分別用于連接新增的Coda Octopus C500 三維成像聲吶和高清網絡相機，如圖4 所示。

圖4 電子艙后蓋接口示意圖

2.3 軟件系統改進

為適配新的推進器系統，對軟件控制部分進行了控制參數的改進。此外，增加了Blueview 前視聲吶、Coda Octopus C500 三維成像聲吶和高清網絡相機的軟件配置接口模塊。

3 海上試驗

2019 年6 月在東海某海域利用海狼3 型ROV 進行了水下目標物探測試驗，對系統的性能進行了驗證。試驗內容包括ROV 動力表現、ROV 水下姿態、攝像頭及照相機功能、前視聲吶功能、機械手功能、云臺功能、深度計、高度計、定深功能、定高功能、定向功能、定速功能、ROV 坐底觀測等。

海上試驗母船為“電科1 號”船，ROV 系統布置在船的后甲板，GAPS 超短基線定位系統換能器固定安裝于船的后甲板側舷，換能器在水下需要超過船體龍骨，ROV 收放采用了在側舷用起重吊機吊放ROV 收放籠的方式。試驗海域的水深約50 m，試驗當天海況2 級，天氣多云，適合進行ROV 水下作業。經過試驗，成功驗證了ROV 的改進性能并探測到水下目標物。

海狼3 型ROV 作業條件：

1）船舶要求：甲板面平整，有足夠空間布置ROV本體、絞車、收放籠等；配有起重吊機，能夠吊放ROV；具備動力定位功能，ROV 作業時需要停船并打開動力定位；

2）海況要求：2 級及以下海況；

3）人員要求：至少應有5 人團隊，其中一人負責控制ROV，一人負責導航定位，一人負責絞車收放，2人負責ROV 止蕩。

海狼3 型ROV 作業流程：

1）作業前，利用海流觀測設備對作業海區進行25 h 連續測流，獲取該海區的海流數據資料，作業時應充分考慮海流對ROV 運動的影響；

2）調試并安裝超短基線定位系統，超短基線定位系統需要剛性安裝，為防止船底遮擋信號，換能器吃水應超過船底；

3）天氣及海況滿足作業條件時，船舶停船并打開動力定位。利用船上吊機將ROV 吊到收放籠中，再將收放籠吊至水面以下，在此過程中做好ROV 的止蕩；

4）控制ROV 游出收放籠，開展水下目標物探測，ROV 絞車需要隨時進行纜繩的收放，以防止ROV 被纜繩纏繞；

5）探測結束后，控制ROV 游回收放籠，并將收放籠吊回船上，回收超短基線定位系統，用淡水將所有入水的設備沖洗干凈。

4 結束語

ROV 作為人們開發和利用海洋的一種重要裝備，在海洋等諸多領域都獲得了豐富的應用成果。隨著計算機技術、電子信息技術、自動化技術和智能控制技術的不斷進步，ROV 的作業能力不斷提升，可靠性不斷增強，未來將繼續朝著智能化、網絡化等方向發展[22-23]。