一款中型水下机器人改进设计

路晓磊，陈 默，杨德鹏，兰丽茜，张洪欣

（1.国家海洋局北海海洋技术保障中心，山东青岛 266033；2.哈尔滨工程大学水声工程学院，黑龙江哈尔滨 150001）

水下机器人根据有人和无人可以分为水下载人航行器（Human Occupied Vehicle，HOV）和水下无人航行器（Unmanned Underwater Vehicle，UUV），水下无人航行器包括遥控无人航行器（Remotely Operated Vehicle，ROV）和自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）[1-3]。随着人类对海洋开发的日益重视，水下机器人在海洋科学研究、海洋资源调查、海洋工程、水下考古搜救、海洋权益维护等领域应用广泛[4-6]。文中介绍了一款中型观察级ROV，并对其进行了部分改进设计，在东海海域进行了水下目标物探测试验。

1 海狼3型ROV

海狼3 型ROV 是加拿大Sharkmarine 公司生产的一款中型观察级ROV，最大下潜深度为300 m，具有定深、定向、定速等功能，基本可以满足我国近海水下探测需求。系统主要由ROV 本体、ROV 绞车和水面控制单元组成。

1.1 ROV本体

海狼3 型ROV 本体采用模块化结构[7]，主要包括水密耐压壳体、动力推进系统、电子控制、探测系统、导航通信等几部分。

壳体采用防腐耐压浮力材料，在动力推进系统方面，配备有4个2马力的推进器，其中水平推进器和垂直推进器各2个；电子控制由计算机和接口电路组成；在探测系统方面，配备有一个前置高清彩色摄像机，一个后置彩色摄像机，一个高清彩色照相机，一个五功能机械手，3个150 W石英卤素灯，一个高度计，一个激光测距仪；在通信导航方面，配备了法国GAPS超短基线定位系统。

GAPS 的主要技术指标为：

1）定位精度：0.2%×斜距；

2）角度精度：0.12°；

3）距离精度：0.2 m；

4）有效距离：3 000 m；

5）覆盖范围：200°（以换能器为中心的200°半球形范围内）；

6）换能器耐压深度：100 m。

1.2 ROV绞车

ROV 绞车配备有300 m 脐带缆，用于ROV 与甲板单元之间的信号传输，通过收放控制器手动控制缆绳的收放，最大收放速度为0.5 m/s。

1.3 水面控制单元

水面控制单元通过ROV 绞车的脐带缆对ROV本体提供动力并进行实时遥控。水面控制单元内装有一套ROV 软件操控系统，可以实现ROV 基本设置、任务规划、状态监控、导航控制、采集画面显示、数据记录等功能。此外，水面控制单元还单独配备ROV 操控手柄和机械手操控手柄，如图1 所示。

图1 水面控制单元

2 系统改进设计

经过常年使用，海狼3 型ROV 推进系统出现了故障、老化，电子控制系统的接口类型和数量无法满足新型传感器的集成，软件系统需要进行升级等一系列问题，因此文中进行了相应的改进设计。

2.1 推进系统改进

海狼3 型ROV 的推进系统由推进器和驱动模块组成，采用的是推进器和驱动模块分离式的设计[7-14]。

2.1.1 推进器改进

海狼3 型ROV 目前采用的是Innerspace 公司的3600SE 型推进器，该推进器目前已停产，因此维修难度及成本较高。此次改进采用了更为主流的Tecnadyne 公司的Model560 型推进器，其重量更轻，推进能力更强，并且尺寸适配海狼3 型ROV 现有的推进器安装开孔。两款推进器的指标如表1 所示。

表1 两款推进器指标对比

2.1.2 驱动模块改进

更换推进器之后相应的驱动模块也需要重新设计，Model560 型推进器的控制信号为+/-5 V 的模拟信号，而且没有地址信号。驱动模块经过充油抗压处理，整体安装在电子舱外面，通过一条线缆和电子舱连接，Model560 型推进器直接连接在驱动模块上。驱动模块主要包括以下功能：

1）提供通讯功能，接收来自控制软件的控制指令；

2）提取控制指令中的速度和方向信息，并转换成+/-5 V 控制信号；

3）接收Model560 型推进器的速度反馈信息，并转换成数字信息传输到控制软件。

ROV 驱动模块控制信号流程如图2 所示。

图2 ROV驱动模块控制信号流程

2.2 电子控制系统改进

2.2.1 控制电路改进

电子控制系统需要实时地接收并处理水面控制系统的指令，对ROV 的状态信息和探测系统获取的相关信息进行实时处理并回传，实现ROV 的实时遥控[15-17]。海狼3 型ROV 采用的控制板型号为ST2CB 100，其接口数量和类型固定，不具备扩展性，不利于后期的扩展与集成。

此次改进采用了接口数量和类型更为丰富的ROV-MCI-100 控制板，单个板卡能够提供64 路模拟和数字通道，并且可以叠加使用，接口类型包括GPIO、PWM、I2C、4 通道AI、Video、Ethernet、RS232/RS485 等。控制板部分接口如图3 所示。

图3 ROV-MCI-100控制板部分接口

2.2.2 电子舱后盖改进

电子舱的后盖新增了两个接头，分别用于连接新增的Coda Octopus C500 三维成像声呐和高清网络相机，如图4 所示。

图4 电子舱后盖接口示意图

2.3 软件系统改进

为适配新的推进器系统，对软件控制部分进行了控制参数的改进。此外，增加了Blueview 前视声呐、Coda Octopus C500 三维成像声呐和高清网络相机的软件配置接口模块。

3 海上试验

2019 年6 月在东海某海域利用海狼3 型ROV 进行了水下目标物探测试验，对系统的性能进行了验证。试验内容包括ROV 动力表现、ROV 水下姿态、摄像头及照相机功能、前视声呐功能、机械手功能、云台功能、深度计、高度计、定深功能、定高功能、定向功能、定速功能、ROV 坐底观测等。

海上试验母船为“电科1 号”船，ROV 系统布置在船的后甲板，GAPS 超短基线定位系统换能器固定安装于船的后甲板侧舷，换能器在水下需要超过船体龙骨，ROV 收放采用了在侧舷用起重吊机吊放ROV 收放笼的方式。试验海域的水深约50 m，试验当天海况2 级，天气多云，适合进行ROV 水下作业。经过试验，成功验证了ROV 的改进性能并探测到水下目标物。

海狼3 型ROV 作业条件：

1）船舶要求：甲板面平整，有足够空间布置ROV本体、绞车、收放笼等；配有起重吊机，能够吊放ROV；具备动力定位功能，ROV 作业时需要停船并打开动力定位；

2）海况要求：2 级及以下海况；

3）人员要求：至少应有5 人团队，其中一人负责控制ROV，一人负责导航定位，一人负责绞车收放，2人负责ROV 止荡。

海狼3 型ROV 作业流程：

1）作业前，利用海流观测设备对作业海区进行25 h 连续测流，获取该海区的海流数据资料，作业时应充分考虑海流对ROV 运动的影响；

2）调试并安装超短基线定位系统，超短基线定位系统需要刚性安装，为防止船底遮挡信号，换能器吃水应超过船底；

3）天气及海况满足作业条件时，船舶停船并打开动力定位。利用船上吊机将ROV 吊到收放笼中，再将收放笼吊至水面以下，在此过程中做好ROV 的止荡；

4）控制ROV 游出收放笼，开展水下目标物探测，ROV 绞车需要随时进行缆绳的收放，以防止ROV 被缆绳缠绕；

5）探测结束后，控制ROV 游回收放笼，并将收放笼吊回船上，回收超短基线定位系统，用淡水将所有入水的设备冲洗干净。

4 结束语

ROV 作为人们开发和利用海洋的一种重要装备，在海洋等诸多领域都获得了丰富的应用成果。随着计算机技术、电子信息技术、自动化技术和智能控制技术的不断进步，ROV 的作业能力不断提升，可靠性不断增强，未来将继续朝着智能化、网络化等方向发展[22-23]。