小型水下機(jī)器人在復(fù)雜水下地形中的目標(biāo)搜尋應(yīng)用

，， ， ，，

(1.上海海事大學(xué) 水下機(jī)器人與智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，上海 201306；2.華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,武漢 430074)

常見(jiàn)的水下機(jī)器人可分為ROV(remotely operated vehicle)和AUV(autonomous underwater vehicle)兩類(lèi)。由于AUV基本上還處于研究和試用階段，一些關(guān)鍵技術(shù)還有待突破，尚難在工程應(yīng)用中大范圍推廣。但利用水下機(jī)器人ROV探測(cè)水下目標(biāo)物、鋪設(shè)管線(xiàn)等工程應(yīng)用已有先例[1-3]，基本上是大中型的ROV設(shè)備，一般都配置有精密儀器以及專(zhuān)用的執(zhí)行工具，具有操作復(fù)雜、對(duì)水面保障系統(tǒng)要求高、需要專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員支持以及作業(yè)成本昂貴等特點(diǎn)。一般的水下工程難以采取此類(lèi)作業(yè)方案。通用的小型ROV具有水下運(yùn)動(dòng)控制靈活、收放維護(hù)簡(jiǎn)便以及造價(jià)相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，研究其執(zhí)行水下任務(wù)的一般方法具有重要的意義[4-5]。目前大部分的文獻(xiàn)著重于理論方法的研究和應(yīng)用前景的展望[6-8]，較少涉及水下工程應(yīng)用。

本文結(jié)合一次成功的水下小目標(biāo)搜尋案例，對(duì)運(yùn)用小型ROV在局部范圍內(nèi)執(zhí)行水下搜尋任務(wù)的方法進(jìn)行研究和總結(jié)，提出一種效率較高、操作簡(jiǎn)易以及成本較低的水下目標(biāo)物搜索方案。

1 搜尋任務(wù)背景

2010年8月至12月，某地方部門(mén)采取了多種手段(水面船舶拖滾鉤做拉網(wǎng)式搜索，水下探照攝像以及潛水員潛水摸索等)尋找沉于湖北荊門(mén)漳河水庫(kù)底的兩件目標(biāo)物，但由于目標(biāo)物散落在1 000 m×1 000 m水域范圍內(nèi)，且水下環(huán)境過(guò)于復(fù)雜(水深變化范圍在4～70 m之間；水下地貌呈現(xiàn)陡坡、溝谷及深坑等；水底覆蓋有水草、泥沙、巖石、沉積物、樹(shù)木及殘留建筑物等)。搜尋效率低、風(fēng)險(xiǎn)大、耗時(shí)長(zhǎng)，在耗費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力之后仍未找到目標(biāo)物。

2010年12月，運(yùn)用小型ROV設(shè)備、側(cè)掃聲吶及手持GPS定位系統(tǒng)等設(shè)備，協(xié)助地方部門(mén)開(kāi)展水下搜尋任務(wù)。采用的ROV是美國(guó)OUTLAND公司主要用于觀測(cè)的小型水下機(jī)器人OUTLAND1000，體積約為70 cm×40 cm×30 cm，配置了兩個(gè)水平推進(jìn)器、一個(gè)垂向推進(jìn)器以及一個(gè)側(cè)向推進(jìn)器，艏向裝有前視成像探測(cè)聲吶以及具有前后360°旋轉(zhuǎn)視角的水下攝像頭，見(jiàn)圖1。

圖1 OUTLAND 1000 ROV

2 搜尋任務(wù)準(zhǔn)備

2.1 ROV作業(yè)準(zhǔn)備

1)環(huán)境評(píng)估。環(huán)境評(píng)估包括水面風(fēng)速風(fēng)向、雨雪、浪涌、氣溫、水深、水下地貌、水底物質(zhì)構(gòu)成等。水面的情況可能對(duì)作業(yè)船舶及甲板上的作業(yè)人員造成不同程度的影響，在環(huán)境惡劣的情況下必須暫停作業(yè)。水下的情況也對(duì)ROV的配置提出不同的要求，比如水底光線(xiàn)不足要求ROV提供足夠亮度的照明，水體透明度較差，則除了配備水下攝像機(jī)之外，需要配置成像聲吶來(lái)探測(cè)超視距的目標(biāo)，見(jiàn)圖2。

圖2 前視聲吶探測(cè)目標(biāo)

2)設(shè)備檢查。設(shè)備檢查包括照明攝像系統(tǒng)、防水接插件、各種執(zhí)行器和傳感器等部件的完好和密封性；ROV浮力材配載和平衡位姿調(diào)節(jié)。

3)人員配置。人員配置包括設(shè)備裝配與收放作業(yè)人員、指揮調(diào)度人員、ROV操作人員及船舶定位人員等，見(jiàn)表1。各工作人員分工必須明確固定，保持順暢的通信及任務(wù)協(xié)作。

表1 基本作業(yè)人員配置

2.2 ROV搜索路徑規(guī)劃

一般情況下，搜索范圍均遠(yuǎn)大于ROV的探測(cè)范圍，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)搜尋水域的全覆蓋以及提高執(zhí)行搜尋任務(wù)的效率，需要事先做好搜索區(qū)的劃分和搜索路徑的規(guī)劃工作。路徑規(guī)劃見(jiàn)圖3。

圖3 路徑規(guī)劃

圖3a)和圖3b)所示為AUV常用的搜索路徑，但是對(duì)于與水面控制臺(tái)有臍帶纜相連的ROV，這種路徑并不適合。其原因主要有兩點(diǎn)：①ROV由人操縱，難以實(shí)現(xiàn)精確的路徑走向；②在水底高低不平、障礙物較多或者有水流影響等狀況下，ROV的繞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)容易導(dǎo)致其臍帶纜被障礙物絆住，甚至纏繞，從而導(dǎo)致其陷入困境無(wú)法脫身。因此，在復(fù)雜的水下環(huán)境中，為保障ROV自身安全，一般采取定向直航的單向搜索路徑，在完成一趟單程搜索之后，將ROV上浮回收，再?gòu)钠瘘c(diǎn)開(kāi)始下一條路徑的搜索。圖3c)顯示了較為實(shí)用的ROV放射狀搜索路徑的規(guī)劃方案。圖中位置A為ROV搜索的起始點(diǎn)(也就是水面母船的停泊位置)，ABCD所圍成的正方形區(qū)域?yàn)閱螇K搜索區(qū)，其對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度LAC必須滿(mǎn)足式(1)。

(1)

式中：L——ROV最大可用纜繩長(zhǎng)度；

D——區(qū)域最大水深。

因此，單塊搜索區(qū)的面積S為

(2)

整個(gè)搜索范圍可劃分成若干單片搜索區(qū)，每個(gè)子區(qū)以A為起始點(diǎn)，做直線(xiàn)(ROV定向)單程搜索，扇形覆蓋搜索子區(qū)。在完成單塊搜索區(qū)之后，船舶定位到另一塊搜索子區(qū)，重復(fù)類(lèi)似的搜索過(guò)程，直至搜索到目標(biāo)為止。

若具備探測(cè)水底地貌的側(cè)掃聲吶等設(shè)備，可先使用該設(shè)備獲取整個(gè)搜索范圍的水深和水底概貌等信息，從中標(biāo)定可疑的目標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)可疑目標(biāo)點(diǎn)的分布情況，縮小并劃定搜索區(qū)，再利用ROV進(jìn)行搜索，由此可以提高搜索效率。

2.3 水面定位

由于水面風(fēng)浪的影響，母船在水面出現(xiàn)較大的漂移可能導(dǎo)致ROV被拖離作業(yè)區(qū)，若遇上纜繩被障礙物纏繞則可能導(dǎo)致纜繩破斷及ROV損失。因此，水下搜索任務(wù)的展開(kāi)必須考慮水面風(fēng)浪的影響，做好母船的錨定工作，見(jiàn)圖4。目前在水面可以采用船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)，水下可采用短基線(xiàn)定位系統(tǒng)，一般的工程應(yīng)用中若不具備該條件，可以采用簡(jiǎn)易的定位策略：水面GPS定位設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母船的動(dòng)態(tài)位置變化，利用母船自身動(dòng)力將漂移控制在一定的范圍內(nèi)，或者配備一艘拖船來(lái)協(xié)助母船定位。

圖4 船舶定位與ROV水下作業(yè)

3 水下目標(biāo)搜尋

3.1 探測(cè)水下地貌

首先，在船上利用手持GPS終端測(cè)定范圍為1 000 m×1 000 m水域的坐標(biāo)。接下來(lái)利用側(cè)掃聲吶探測(cè)該水域內(nèi)的水底地形，初步獲取水下地貌及可疑目標(biāo)物的信息。

具體過(guò)程是將聲吶置入水中適當(dāng)深度，通過(guò)拖纜連接到母船上的終端設(shè)備，靠母船拖行對(duì)水底地貌進(jìn)行掃描。作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)母船難以保持勻慢速(航速2 kn左右)的航行狀態(tài)，這導(dǎo)致了聲吶獲取的水底地貌圖像不理想。同時(shí)，由于船艉螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)在水面產(chǎn)生了波浪和氣泡，這對(duì)聲吶圖像造成嚴(yán)重的噪聲干擾。因此將方案改進(jìn)為由一艘機(jī)動(dòng)小船來(lái)拖動(dòng)母船，母船關(guān)停螺旋槳，完全靠拖船慢速拖行。這種改進(jìn)的方案使得母船基本保持了2 kn的慢速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，尾流和氣泡大大減少，側(cè)掃聲吶探測(cè)到清晰的水底地貌信息。在獲取整個(gè)搜索范圍內(nèi)的地貌圖后，根據(jù)目標(biāo)的特征，圈定可疑目標(biāo)點(diǎn)。由于水下環(huán)境復(fù)雜，經(jīng)排查后可疑目標(biāo)點(diǎn)達(dá)13處，見(jiàn)圖5。

3.2 劃定搜索分區(qū)

根據(jù)水底地貌圖上的可疑目標(biāo)點(diǎn)的分布情況，進(jìn)一步縮小搜索范圍，劃定I、II、III、IV和V等5個(gè)正方形的搜索子區(qū)。每個(gè)搜索子區(qū)的邊長(zhǎng)由式(1)確定，搜索路徑按圖3c)進(jìn)行規(guī)劃。由于水下機(jī)器人自帶的纜繩長(zhǎng)L=300 m，由側(cè)掃聲吶圖像估算出搜索水域內(nèi)的水深在4～60 m區(qū)間，充分考慮余量之后，劃定每片搜索子區(qū)的面積為

圖5 按可疑目標(biāo)點(diǎn)劃分搜索子區(qū)

200 m×200 m。確定搜索子區(qū)后，將母船定位到各子區(qū)，再釋放ROV對(duì)各子區(qū)進(jìn)行全覆蓋搜尋。母船的定位結(jié)合了電子地圖和GPS手持終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上監(jiān)控母船位置的動(dòng)態(tài)變化。由于母船本身不具有動(dòng)力定位系統(tǒng)，因此由一艘拖船協(xié)助控制母船的漂移量。ROV從I～V區(qū)逐片實(shí)施全覆蓋搜索，采用圖3c)所示搜索路徑。

3.3 ROV避障策略

ROV通常不具備自主避障的功能，一般由操作人員充分利用聲吶和水下攝像等設(shè)備提供的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)靈活的避障航行。在復(fù)雜的水下地形環(huán)境中，ROV既要按照事先規(guī)劃好的路徑航行，又要避開(kāi)高低不平、形狀各異的障礙物，對(duì)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋的搜索，這要求操作人員具備豐富的操作經(jīng)驗(yàn)和技能。為ROV制定避障規(guī)則可以有效地指導(dǎo)操作人員操控ROV，保證設(shè)備安全及順利完成作業(yè)任務(wù)。常見(jiàn)的水下環(huán)境狀況及ROV相應(yīng)的避障規(guī)則見(jiàn)表2。

3.4 搜尋結(jié)果

ROV在搜索I區(qū)時(shí)，深度傳感器數(shù)據(jù)顯示I區(qū)相對(duì)水深較淺；前視聲吶圖像顯示該區(qū)地勢(shì)平緩，水中障礙物較少；水下攝像視頻顯示水底主要物質(zhì)為硬質(zhì)沙土。因此，整個(gè)搜尋過(guò)程比較順利，很快發(fā)現(xiàn)其中一件目標(biāo)物。接下來(lái)根據(jù)有關(guān)部門(mén)給出的線(xiàn)索，判斷另一目標(biāo)出現(xiàn)的位置應(yīng)該在I區(qū)的西北方向。由此排除II區(qū)和V區(qū)的可疑點(diǎn)，將搜尋范圍縮小在III區(qū)和IV區(qū)內(nèi)。

表2 ROV避障規(guī)則

ROV在搜索IV區(qū)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)水底地形異常復(fù)雜，水深變化在20～50 m的范圍內(nèi)，有陡坡、巖石、樹(shù)樁等障礙物，水底主要物質(zhì)為松軟的灰褐色沉積物。當(dāng)ROV撞擊沉積物或者垂直推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，水體被攪渾，而且長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)澄清。這導(dǎo)致攝像頭觀察效果變差，搜索進(jìn)度緩慢。根據(jù)表2的第4條及第5條規(guī)則，將ROV的垂直推進(jìn)器關(guān)閉以避免攪渾水體；將ROV配載成略負(fù)浮力狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)自然的下坡滑行運(yùn)動(dòng)；將ROV姿態(tài)配置為略縱后傾，使得水平推進(jìn)器的推力方向?yàn)樾毕蛏?，由此?shí)現(xiàn)上坡運(yùn)動(dòng)。最終搜索結(jié)果是在IV區(qū)約37 m水深處的某個(gè)斜坡上成功搜尋到另一個(gè)目標(biāo)。至此，整個(gè)搜尋任務(wù)圓滿(mǎn)完成，實(shí)際作業(yè)7 天，操作人員6名。

4 結(jié)論

由于水面和水下環(huán)境的不確定性和復(fù)雜性，在局部水域范圍內(nèi)搜尋水底小目標(biāo)是一項(xiàng)難度較高的任務(wù)。充分利用小型水下機(jī)器人的深水探測(cè)能力，結(jié)合其他相關(guān)探測(cè)設(shè)備，采取適當(dāng)?shù)乃阉鞑呗约八娑ㄎ患夹g(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效率、低風(fēng)險(xiǎn)和低成本的水下目標(biāo)搜尋作業(yè)。

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