水下常驻机器人基站及导航对接技术综述

2022-04-24倪正峰冀大雄田逸宁胡臻臻

盐城工学院学报（自然科学版） 2022年1期

倪正峰，冀大雄，田逸宁，沈勤，胡臻臻，王斌

(1.上海海洋大学工程学院,上海 201306；2.浙江大学海洋学院，浙江舟山 316000；3.上海遨拓深水装备技术开发有限公司,上海 201306；4.舟山遨拓海洋工程技术有限公司，浙江舟山 316000)

随着陆上油气资源逐渐匮乏，勘探和开采海洋油气资源日益成为能源补充的重要手段。2010年以来，我国新增石油产量中超过80%来自海洋，且其中的一半开采自深度大于500 m的深海[1]。随着海洋勘探开采技术的迅猛发展，水下机器人在石油开采设施的安装、维护、检修等方面的应用日益广泛，但也存在如下不足：有缆遥控水下机器人(Remotely operated vehicle，ROV)使用母船拖缆下放方式，当母船发生大幅度升沉运动时，会造成ROV设备的损坏和脐带电缆的断裂[2]；无缆自主水下机器人(Autonomous underwater vehicle，AUV)因受能量限制需多次回收到水面平台进行充能和数据交换，而布放与回收AUV需要耗费大量的时间[3]。

新型水下常驻机器人可有效解决这些问题。新型水下常驻机器人系统由水下机器人和水下基站组成，水下机器人在完成周期性作业后，通过导航返回基站进行探测数据的上传与作业指令的更新；同时基站为机器人补充能源并提供保护场所，提升了机器人作业的连续性、隐蔽性和安全性。

1 海底基站

1.1 杆、绳式基站

杆、绳式基站主要由基座、导航应答器和杆或合成绳等组成。美国Woods Hole研究所研制的REMUS 600水下机器人的捕获系统LCLR[4]，通过一根合成绳连接基座与顶部的声波应答器，如图1所示。机器人头部为V字形导引架，根部采用弹性闩锁，可直接撞入绳索固定。

图1 REMUS 600对接系统 Fig.1 Docking system of REMUS 600

Northeastern大学的Singh等[5]于2014年研制的Odyssey IIB型水下机器人，撞入竖杆锁定后，基站上部可移动固定架下压，使机器人上的感应磁芯与基站对接进行电力传输，再通过声学调制解调器实现二者通信(图2)。

图2 Odyssey IIB对接过程 Fig.2 Docking process of Odyssey IIB

1.2 漏斗式基站

AUV为外壳光滑的鱼雷形，这类机器人的基站也可采用入口为内径逐渐变小的漏斗状、内部为等内径的腔体。机器人只要进入基站导引罩的范围，继续前进便可以顺应其收缩趋势进入基站内。这种对接方式所需定位精度较低，可以大大增加对接成功率。

Woods Hole海洋研究所为远程环境监测水下机器人REMUS设计的对接系统[6-8]，采用刚性系泊方法，通过一个基于DSP的超短基线导航系统确定漏斗状基站的位置和朝向(基站外部导引罩直径1 m，内部直径25 cm)，对接成功率达91%。机器人进入基站后，基站内的对接触头插入机器人触点进行充电及数据交换。该研究所于2012年研制了第二代产品REMUS 100，机器人头部增加了弹簧爪等机构来锁定自身位置。

2018年，西班牙赫罗纳大学的Palomeras等[9]为Sparus II AUV制作了一种水下对接站，如图3所示。图3中机器人配置2个水平推进器、1个垂直推进器，对接时机器人倾角可达30°；对接站包括对接舱和底座两部分，导引罩由14根弯曲的耐腐蚀铝管组成。机器人进入基站后，对接舱内两个爪形锁扣抓住机器人顶部的天线，防止机器人在海流冲击下滑出。

图3 Sparus II AUV 对接系统水下试验 Fig.3 Underwater test of Sparus II AUV docking system

1.3 笼式基站

笼式对接基站通常应用于ROV，传统的带缆水下机器人分为水面部分和水下部分，两部分通过脐带缆连接，而母船则为整个系统提供能源和控制信号[10]。现在的笼式水下基站将脐带缆绞车布置在水下，机器人的作业与回收均在海底进行。

西班牙海洋科学研究所为Rossia 3000型海底爬行器研制的ARIM基站[11]，将脐带缆绞车布置在爬行机器人底部，与机器人的履带相连接。机器人前进时可同步放出电缆，机器人返回时，绞车启动回收电缆。基站采用平顶金字塔形结构框架，配有160 kWh的能量燃料电池，设有爬行器进出后可自动折叠的坡道，保护基站内设备安全。

Oceaneering公司研制的深海常驻机器人系统Liberty E-ROV[12]，配有笼式电池包、电缆管理系统和通信浮标，如图4所示。系统将电缆绞车安装在基站内，基站两侧各有6个电池舱，可提供500 kWh的电力，机器人可连续作业2～3个月。

图4 Liberty E-ROV深海常驻机器人系统Fig.4 Liberty E-ROV deep-sea resident robotic system

爱尔兰Limerick大学与智能系统中心联合研制的Étaín水下常驻机器人系统(图5)[13]，由一个控制盒、发射回收舱、缆绳管理系统和ROV本体组成。基站铝框上安装4个不对称灯标，ROV和基站之间的相对位置通过ROV上的摄像机和这些灯标确定。

图5 Étaín ROV-TMS水下常驻机器人 Fig.5 Underwater resident robot of Étaín ROV-TMS

总的来说，笼式水下基站可将机器人完整地包容，避免机器人设备受海水冲击；电缆绞车安装在水下也大大减少了脐带缆长度；另外，机器人通过电缆与基站对接，可在机器人作业时供电和传输数据。笼式基站缺点是推进器驱动的ROV运动控制困难，受水流影响较大，进入基站时易发生碰撞。

1.4 平台式基站

最早的平台基站是日本川崎重工Fukasawa等[14]研制的MARINE BIRD系统，目前Bluelogic公司的研究成果较为突出，其生产的Equinor水下平台基站[15]，是世界上首批通用、开放式海底无人机对接平台，适用范围广，可对接任意形状、大小、类型的水下机器人。机器人可通过绘制海床3D地图定位基站位置。

2 导航对接技术

对接导航系统包括安装在基站和机器人上的导航传感器和通信系统。对接过程中二者进行周期性通信，使机器人能够确定其相对于基站的位置和姿态，并及时作出调整。目前水下基站常用的定位导航方式有声学、光学和电磁学3种[16]，其性能比较如表1所示。

表1 3种导航方式性能比较Table 1 Performance comparison of three navigation modes

2.1 声学导航

声学导航对接是通过机器人与基站间水介质传播声波信号，如McEwen等[17]研制的MBARI水下机器人采用的超短基线(USBL)声学系统(图6)。系统通过声波信号(最大接发频率1 Hz)往返基站与机器人的时间确定两者距离，根据声波到达机器人每个接收器的时间、方向的微小差异确定机器人与基站的相对方位角和倾斜角。通常机器人到达基站100 m范围内即进入预定的对接路径，且前进过程中每1～3 s发射一次声信号，据此调整前进方向。

图6 MBARI头部的USBL系统Fig.6 The USBL system at the head of the MBARI

2.2 光学导航

光学对接系统由基站上的信号灯和机器人上的视觉系统组成。2015年Li等[18]在水下基站入口周围布置4个绿色LED灯，在机器人头部安装2个摄像头。系统采用PID控制算法，根据摄像机内图像标记点数量在单目和双目组合定位方法之间的切换，生成相对俯仰角和姿态角。该系统对接成功率大于80%。

与声学系统相比，光学系统在海洋环境中的定位范围相当有限，因为光源容易受海水浑浊度的影响发生散射；但光学对接系统所用摄像头体积小、设备轻，与声呐设备相比，在水下机器人紧凑的内部空间中安装具有更大优势。

2.3 电磁学导航

不同于声学与光学系统，电磁导航系统由基站上的电磁线圈和机器人上的传感线圈组成，可适用于任意海水环境。2001年麻省理工为Odyssey水下航行器研制的电磁导航系统[19]，基站内2个24匝、直径64 cm的线圈可产生正交磁偶极子场。其中水平偶极场为2 kHz，用于方向控制；垂直偶极场为1 kHz，用于同步。系统利用三级自动增益控制电路获得机器人水平磁场分量相对于轴向的角度，确定机器人为对齐基地磁场所要转动的角度,其自导系统示意图如图7所示。