水下常駐機器人基站及導航對接技術綜述

倪正峰，冀大雄，田逸寧，沈 勤，胡臻臻，王 斌

(1.上海海洋大學 工程學院,上海 201306；2.浙江大學 海洋學院，浙江 舟山 316000；3.上海遨拓深水裝備技術開發有限公司,上海 201306；4.舟山遨拓海洋工程技術有限公司，浙江 舟山 316000)

隨著陸上油氣資源逐漸匱乏，勘探和開采海洋油氣資源日益成為能源補充的重要手段。2010年以來，我國新增石油產量中超過80%來自海洋，且其中的一半開采自深度大于500 m的深海[1]。隨著海洋勘探開采技術的迅猛發展，水下機器人在石油開采設施的安裝、維護、檢修等方面的應用日益廣泛，但也存在如下不足：有纜遙控水下機器人(Remotely operated vehicle，ROV)使用母船拖纜下放方式，當母船發生大幅度升沉運動時，會造成ROV設備的損壞和臍帶電纜的斷裂[2]；無纜自主水下機器人(Autonomous underwater vehicle，AUV)因受能量限制需多次回收到水面平臺進行充能和數據交換，而布放與回收AUV需要耗費大量的時間[3]。

新型水下常駐機器人可有效解決這些問題。新型水下常駐機器人系統由水下機器人和水下基站組成，水下機器人在完成周期性作業后，通過導航返回基站進行探測數據的上傳與作業指令的更新；同時基站為機器人補充能源并提供保護場所，提升了機器人作業的連續性、隱蔽性和安全性。

1 海底基站

1.1 桿、繩式基站

桿、繩式基站主要由基座、導航應答器和桿或合成繩等組成。美國Woods Hole研究所研制的REMUS 600水下機器人的捕獲系統LCLR[4]，通過一根合成繩連接基座與頂部的聲波應答器，如圖1所示。機器人頭部為V字形導引架，根部采用彈性閂鎖，可直接撞入繩索固定。

圖1 REMUS 600對接系統 Fig.1 Docking system of REMUS 600

Northeastern大學的Singh等[5]于2014年研制的Odyssey IIB型水下機器人，撞入豎桿鎖定后，基站上部可移動固定架下壓，使機器人上的感應磁芯與基站對接進行電力傳輸，再通過聲學調制解調器實現二者通信(圖2)。

圖2 Odyssey IIB對接過程 Fig.2 Docking process of Odyssey IIB

1.2 漏斗式基站

AUV為外殼光滑的魚雷形，這類機器人的基站也可采用入口為內徑逐漸變小的漏斗狀、內部為等內徑的腔體。機器人只要進入基站導引罩的范圍，繼續前進便可以順應其收縮趨勢進入基站內。這種對接方式所需定位精度較低，可以大大增加對接成功率。

Woods Hole海洋研究所為遠程環境監測水下機器人REMUS設計的對接系統[6-8]，采用剛性系泊方法，通過一個基于DSP的超短基線導航系統確定漏斗狀基站的位置和朝向(基站外部導引罩直徑1 m，內部直徑25 cm)，對接成功率達91%。機器人進入基站后，基站內的對接觸頭插入機器人觸點進行充電及數據交換。該研究所于2012年研制了第二代產品REMUS 100，機器人頭部增加了彈簧爪等機構來鎖定自身位置。

2018年，西班牙赫羅納大學的Palomeras等[9]為Sparus II AUV制作了一種水下對接站，如圖3所示。圖3中機器人配置2個水平推進器、1個垂直推進器，對接時機器人傾角可達30°；對接站包括對接艙和底座兩部分，導引罩由14根彎曲的耐腐蝕鋁管組成。機器人進入基站后，對接艙內兩個爪形鎖扣抓住機器人頂部的天線，防止機器人在海流沖擊下滑出。

圖3 Sparus II AUV 對接系統水下試驗 Fig.3 Underwater test of Sparus II AUV docking system

1.3 籠式基站

籠式對接基站通常應用于ROV，傳統的帶纜水下機器人分為水面部分和水下部分，兩部分通過臍帶纜連接，而母船則為整個系統提供能源和控制信號[10]。現在的籠式水下基站將臍帶纜絞車布置在水下，機器人的作業與回收均在海底進行。

西班牙海洋科學研究所為Rossia 3000型海底爬行器研制的ARIM基站[11]，將臍帶纜絞車布置在爬行機器人底部，與機器人的履帶相連接。機器人前進時可同步放出電纜，機器人返回時，絞車啟動回收電纜。基站采用平頂金字塔形結構框架，配有160 kWh的能量燃料電池，設有爬行器進出后可自動折疊的坡道，保護基站內設備安全。

Oceaneering公司研制的深海常駐機器人系統Liberty E-ROV[12]，配有籠式電池包、電纜管理系統和通信浮標，如圖4所示。系統將電纜絞車安裝在基站內，基站兩側各有6個電池艙，可提供500 kWh的電力，機器人可連續作業2～3個月。

圖4 Liberty E-ROV深海常駐機器人系統Fig.4 Liberty E-ROV deep-sea resident robotic system

愛爾蘭Limerick大學與智能系統中心聯合研制的étaín水下常駐機器人系統(圖5)[13]，由一個控制盒、發射回收艙、纜繩管理系統和ROV本體組成。基站鋁框上安裝4個不對稱燈標，ROV和基站之間的相對位置通過ROV上的攝像機和這些燈標確定。

圖5 étaín ROV-TMS水下常駐機器人 Fig.5 Underwater resident robot of étaín ROV-TMS

總的來說，籠式水下基站可將機器人完整地包容，避免機器人設備受海水沖擊；電纜絞車安裝在水下也大大減少了臍帶纜長度；另外，機器人通過電纜與基站對接，可在機器人作業時供電和傳輸數據。籠式基站缺點是推進器驅動的ROV運動控制困難，受水流影響較大，進入基站時易發生碰撞。

1.4 平臺式基站

最早的平臺基站是日本川崎重工Fukasawa等[14]研制的MARINE BIRD系統，目前Bluelogic公司的研究成果較為突出，其生產的Equinor水下平臺基站[15]，是世界上首批通用、開放式海底無人機對接平臺，適用范圍廣，可對接任意形狀、大小、類型的水下機器人。機器人可通過繪制海床3D地圖定位基站位置。

2 導航對接技術

對接導航系統包括安裝在基站和機器人上的導航傳感器和通信系統。對接過程中二者進行周期性通信，使機器人能夠確定其相對于基站的位置和姿態，并及時作出調整。目前水下基站常用的定位導航方式有聲學、光學和電磁學3種[16]，其性能比較如表1所示。

表1 3種導航方式性能比較Table 1 Performance comparison of three navigation modes

2.1 聲學導航

聲學導航對接是通過機器人與基站間水介質傳播聲波信號，如McEwen等[17]研制的MBARI水下機器人采用的超短基線(USBL)聲學系統(圖6)。系統通過聲波信號(最大接發頻率1 Hz)往返基站與機器人的時間確定兩者距離，根據聲波到達機器人每個接收器的時間、方向的微小差異確定機器人與基站的相對方位角和傾斜角。通常機器人到達基站100 m范圍內即進入預定的對接路徑，且前進過程中每1～3 s發射一次聲信號，據此調整前進方向。

圖6 MBARI頭部的USBL系統Fig.6 The USBL system at the head of the MBARI

2.2 光學導航

光學對接系統由基站上的信號燈和機器人上的視覺系統組成。2015年Li等[18]在水下基站入口周圍布置4個綠色LED燈，在機器人頭部安裝2個攝像頭。系統采用PID控制算法，根據攝像機內圖像標記點數量在單目和雙目組合定位方法之間的切換，生成相對俯仰角和姿態角。該系統對接成功率大于80%。

與聲學系統相比，光學系統在海洋環境中的定位范圍相當有限，因為光源容易受海水渾濁度的影響發生散射；但光學對接系統所用攝像頭體積小、設備輕，與聲吶設備相比，在水下機器人緊湊的內部空間中安裝具有更大優勢。

2.3 電磁學導航

不同于聲學與光學系統，電磁導航系統由基站上的電磁線圈和機器人上的傳感線圈組成，可適用于任意海水環境。2001年麻省理工為Odyssey水下航行器研制的電磁導航系統[19]，基站內2個24匝、直徑64 cm的線圈可產生正交磁偶極子場。其中水平偶極場為2 kHz，用于方向控制；垂直偶極場為1 kHz，用于同步。系統利用三級自動增益控制電路獲得機器人水平磁場分量相對于軸向的角度，確定機器人為對齊基地磁場所要轉動的角度,其自導系統示意圖如圖7所示。

圖7 電磁自導系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of electromagnetic homing system

3 總結

本文對水下常駐機器人的基站類型、自主對接方式和導航定位方法進行了全面的技術綜述，并分析了各種方式的優缺點。由于水下常駐機器人在石油開采、深海設施維護以及軍事領域的巨大優勢，對接精度更高、連續作業時間更長的通用型系統將是水下常駐機器人的未來發展重點，也是后續研究的方向。