水下機(jī)器人測(cè)試及相關(guān)機(jī)構(gòu)介紹

陳元杰，葛銳，孔新雄，趙群

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江杭州310013)

0 引言

隨著“蛟龍?zhí)枴陛d人潛器的入水及其7000 m 下潛深度的完成，海洋尤其是深海探測(cè)不斷地進(jìn)入普通大眾的視野，也越來越激起人們對(duì)海洋、對(duì)海底探測(cè)的興趣。海洋是人類生命的起源，覆蓋了地球近四分之三的面積，海洋的各類生物、礦物、油氣資源也必將成為未來人類發(fā)展的源泉，因此，海洋、海底探測(cè)刻不容緩。如果把“蛟龍?zhí)枴北茸魍饪仗綔y(cè)的載人飛船，那么，水下機(jī)器人就是外空探測(cè)的衛(wèi)星，是海洋探測(cè)不可或缺的重要工具。

當(dāng)前水下機(jī)器人的種類很多，從是否載人來分，可以分為載人潛器和無人潛器兩大類［1-2］，“蛟龍?zhí)枴本褪且环N載人潛器，無人潛器就是常規(guī)意義上的水下機(jī)器人。而水下機(jī)器人根據(jù)是否有母纜與母船連接，可分為有纜水下機(jī)器人或稱為遙控型水下機(jī)器人(Remote Operated Vehicle，簡(jiǎn)稱ROV)及無纜水下機(jī)器人或稱為自治型水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle，簡(jiǎn)稱AUV)。此外，按使用的目的分，可分為探測(cè)型水下機(jī)器人以及作業(yè)型水下機(jī)器人［3-5］。為驗(yàn)證水下機(jī)器人的性能及質(zhì)量水平，必須對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試和試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。對(duì)水下機(jī)器人性能的測(cè)試和試驗(yàn)有利于促進(jìn)水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，推進(jìn)海洋探測(cè)水平的進(jìn)步。

1 水下機(jī)器人測(cè)試的主要內(nèi)容

目前國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人測(cè)試還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，國(guó)外對(duì)水下機(jī)器人的測(cè)試也是各個(gè)公司、研究所根據(jù)內(nèi)部的測(cè)試需求而制定。從水下機(jī)器人的組成及其相應(yīng)的功能來看，水下機(jī)器人測(cè)試主要包含以下幾個(gè)部分［6-8］:

1.1 水下機(jī)器人總成測(cè)試

水下機(jī)器人總成測(cè)試為水下機(jī)器人綜合性能測(cè)試，主要包括整機(jī)尺寸，負(fù)載能力測(cè)試，正向、橫向、垂直方向推力測(cè)試，最高航速測(cè)試，最大能耗測(cè)試等幾方面內(nèi)容。其中，整機(jī)尺寸通過相應(yīng)的長(zhǎng)度計(jì)量器具進(jìn)行測(cè)量得到;負(fù)載能力測(cè)試通過在水下機(jī)器人上方加特定重量的負(fù)載，得到使其能浮在水面上的最大重量;各個(gè)方向的推力測(cè)試，可通過在水下機(jī)器人各個(gè)方向施加一束縛力(拉力傳感器)，將水下機(jī)器人向各個(gè)方向全力推進(jìn)，即可得到正向、橫向、垂直方向的最大推進(jìn)力;最高航速測(cè)試通過采用測(cè)速儀或在特定距離計(jì)時(shí)的方法測(cè)得;最大能耗測(cè)試則在水下機(jī)器人全力推進(jìn)及所安裝的所有耗能附件全開的情況下，對(duì)其輸入功耗進(jìn)行測(cè)試，得到最大功耗［9］。

1.2 水下機(jī)器人螺旋槳推進(jìn)器測(cè)試［10］

推進(jìn)器是水下機(jī)器人的動(dòng)力源，推進(jìn)器的功能決定了水下機(jī)器人在水下的活動(dòng)能力。對(duì)螺旋槳推進(jìn)器的性能測(cè)試包括槳葉外徑測(cè)量、轉(zhuǎn)速測(cè)試、系樁推力測(cè)試等幾方面。實(shí)際測(cè)試時(shí)，測(cè)試得到推進(jìn)器轉(zhuǎn)速-推力-功耗曲線即可。

1.3 水下機(jī)器人機(jī)械手性能測(cè)試

作業(yè)型水下機(jī)器人常帶有機(jī)械手對(duì)水下目標(biāo)物進(jìn)行作業(yè)，因此必須對(duì)水下機(jī)器人配備的機(jī)械手進(jìn)行測(cè)試。機(jī)械手的測(cè)試包括最大伸距、全伸長(zhǎng)持重、運(yùn)動(dòng)范圍、手爪開度等幾方面。其中，全伸長(zhǎng)持重通過將機(jī)械手持重測(cè)試用特定砝碼后，伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)距離即可;機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍通過將機(jī)械手上下、左右運(yùn)動(dòng)，得到其最大運(yùn)動(dòng)尺度［11-12］。

1.4 其他性能測(cè)試

此外，還需對(duì)水下機(jī)器人的觀察距離、攝像頭安裝云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)角、補(bǔ)償器的高壓倉功能、最大水深耐壓能力等進(jìn)行測(cè)試，以得到完整的水下機(jī)器人的性能參數(shù)。

2 水下機(jī)器人測(cè)試國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)介紹

水下機(jī)器人性能測(cè)試主要在測(cè)試水池系統(tǒng)中進(jìn)行，在水池中進(jìn)行水下機(jī)器人動(dòng)力、搭載能力、功耗、航速等性能的測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)的測(cè)試水池系統(tǒng)基本上都和船舶模型的水動(dòng)力測(cè)試共用，很少有專門為水下機(jī)器人及其核心部件測(cè)試用的測(cè)試系統(tǒng)，因而測(cè)試的代價(jià)很大。目前國(guó)內(nèi)主要有以下幾個(gè)機(jī)構(gòu)在開展水下機(jī)器人、船舶等各類水中運(yùn)動(dòng)體性能測(cè)試:

2.1 上海交通大學(xué)水下工程研究所

上海交通大學(xué)水下工程研究所主要進(jìn)行水下作業(yè)技術(shù)與裝備、深海無人遙控潛水器、新概念水下機(jī)器人以及共性基礎(chǔ)性技術(shù)的研究。該實(shí)驗(yàn)室擁有配套的深水實(shí)驗(yàn)室，深海壓力環(huán)境模擬裝備體系，ROV 裝配車間和設(shè)計(jì)工作室，以及各種潛水器試驗(yàn)平臺(tái)，是國(guó)內(nèi)較少研制、測(cè)試水下機(jī)器人的機(jī)構(gòu)之一。其深水實(shí)驗(yàn)室中建有一個(gè)50 m×40 m×10 m 測(cè)試水池，水深可在0 ～10 m 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，該水池可對(duì)水下機(jī)器人的整機(jī)航速、推力、功率等性能進(jìn)行測(cè)試。其深海壓力環(huán)境模擬裝備體系可模擬4000 m 水深的海洋壓力環(huán)境，可對(duì)水下機(jī)器人關(guān)鍵部件在深海壓力下的抗壓能力進(jìn)行測(cè)試。水下機(jī)器人的其他一些性能測(cè)試在ROV 裝配車間及設(shè)計(jì)工作室中進(jìn)行［13-14］。測(cè)試實(shí)驗(yàn)室如圖1所示。

圖1 上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室船舶測(cè)試系統(tǒng)

2.2 中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所水下機(jī)器人研究室

中科院沈陽自動(dòng)化所是國(guó)內(nèi)外有影響的研究與開發(fā)水下機(jī)器人并形成產(chǎn)品的科研實(shí)體之一，我國(guó)第一臺(tái)有纜遙控潛水器和第一臺(tái)無纜自治水下機(jī)器人都是在這里誕生的。其水下機(jī)器人研究室(現(xiàn)為海洋技術(shù)裝備研究室)主要從事水下機(jī)器人的研究、技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)和示范應(yīng)用，具備齊全、先進(jìn)的水下機(jī)器人試驗(yàn)設(shè)備和條件，擁有長(zhǎng)20 m，寬12 m，深9 m 的試驗(yàn)水池以及相配套的各種調(diào)試、吊裝設(shè)備和儀器儀表、環(huán)境試驗(yàn)裝置等，可進(jìn)行各種水下機(jī)器人整機(jī)調(diào)試和功能試驗(yàn)［15-16］。此外，該實(shí)驗(yàn)室對(duì)水下作業(yè)型機(jī)器人搭載的機(jī)械手也有一定的研制及測(cè)試能力，具有水下七功能機(jī)械手的研究測(cè)試能力。

圖2 為沈陽自動(dòng)化所科研人員進(jìn)行水下機(jī)器人測(cè)試相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

圖2 沈陽自動(dòng)化所水下機(jī)器人測(cè)試實(shí)驗(yàn)

2.3 哈爾濱工程大學(xué)智能水下機(jī)器人國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

哈爾濱工程大學(xué)智能水下機(jī)器人國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室擁有一座設(shè)施配套、技術(shù)先進(jìn)、功能齊全的深水試驗(yàn)水池，搭建了設(shè)施完善、技術(shù)先進(jìn)的測(cè)試研究平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)室在水下機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成、智能規(guī)劃與控制、水下導(dǎo)航與定位、水下目標(biāo)的探測(cè)與識(shí)別等方面的研究促進(jìn)了我國(guó)水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。其深水試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，水池長(zhǎng)50 m，寬30 m，水深10 m［17］。該實(shí)驗(yàn)室可在該深水試驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行水下機(jī)器人整機(jī)性能測(cè)試，包括航速、推力、定位等，以及螺旋槳推進(jìn)器敞水性能測(cè)試等水下機(jī)器人相關(guān)性能測(cè)試，處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖3 智能水下機(jī)器人國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水下機(jī)器人試驗(yàn)場(chǎng)地

2.4 浙江大學(xué)海洋裝備試驗(yàn)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室

浙江大學(xué)海洋裝備試驗(yàn)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室是主要定位為水下機(jī)器人性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室主要包括4 個(gè)檢測(cè)科室，分別為:①觀察型遙控水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)檢測(cè)室;②觀察型遙控水下機(jī)器人配件檢測(cè)室;③水下機(jī)械手檢測(cè)室;④水下聲光傳感與通訊檢測(cè)室。目前該實(shí)驗(yàn)室尚處于建設(shè)當(dāng)中，相關(guān)硬件設(shè)施全部到位，并已起草相關(guān)水下機(jī)器人測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，上報(bào)國(guó)家相關(guān)部門批準(zhǔn)，是國(guó)內(nèi)專注于水下機(jī)器人性能相關(guān)測(cè)試較為領(lǐng)先的機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)擁有長(zhǎng)寬深為20 m×5 m×4.5 m 的水下機(jī)器人測(cè)試小型水池，并在該水池附近布置相應(yīng)的測(cè)速、測(cè)力、測(cè)功率、螺旋槳測(cè)試、機(jī)械臂性能測(cè)試的相應(yīng)傳感器及裝置，能對(duì)水下機(jī)器人性能進(jìn)行一站式的測(cè)試，較好地完成水下機(jī)器人性能的測(cè)試要求。如圖4 為其測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖4 海洋裝備試驗(yàn)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室水下機(jī)器人測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

此外，國(guó)內(nèi)還有一些擁有類似測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)，如上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所、中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院、華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院等。雖然目前已有像沈陽自動(dòng)化所、上海交通大學(xué)水下工程研究所［18］、浙江大學(xué)海洋裝備試驗(yàn)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)開展針對(duì)水下機(jī)器人的測(cè)試、試驗(yàn)研究，但是大多相關(guān)機(jī)構(gòu)還是以測(cè)試海洋船舶相關(guān)性能為主，很少或未開展水下機(jī)器人性能測(cè)試的研究，而已開展水下機(jī)器人測(cè)試的機(jī)構(gòu)，很多也是由船舶測(cè)試系統(tǒng)改造過來，設(shè)備較為大型，測(cè)試代價(jià)較高。

3 水下機(jī)器人測(cè)試國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)介紹

國(guó)內(nèi)的一些水中運(yùn)動(dòng)體測(cè)試系統(tǒng)由于主要測(cè)試對(duì)象為船舶及其配套設(shè)備，而不是專門為水下機(jī)器人性能測(cè)試搭建的(除個(gè)別外)，其規(guī)模都很大，因而測(cè)試的代價(jià)較高。國(guó)外有一些小型的專門用于水下機(jī)器人及其配件性能測(cè)試的系統(tǒng)，這些測(cè)試系統(tǒng)為國(guó)外水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展給予了強(qiáng)有力的支持。

3.1 美國(guó)麻省理工大學(xué)海洋工程系水池試驗(yàn)系統(tǒng)［19－20］

該系統(tǒng)主要用來對(duì)水下機(jī)器人性能進(jìn)行測(cè)試研究，擁有隨機(jī)波浪制造機(jī)、激光感應(yīng)裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備，按照水下機(jī)器人測(cè)試所需要的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，能較好地進(jìn)行水下機(jī)器人全性能參數(shù)測(cè)試。如圖5所示為其利用拖曳系統(tǒng)對(duì)水下“魚形”機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，驗(yàn)證其相關(guān)性能。

圖5 麻省理工大學(xué)海洋工程系水下機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)

3.2 美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所海洋應(yīng)用物理與工程研究室

伍茲霍爾海洋研究所海洋應(yīng)用物理與工程研究室主要開展海洋裝備、水下潛器、海底觀測(cè)系統(tǒng)等的研究，國(guó)際上享有盛名的載人水下機(jī)器人“阿爾文號(hào)”就是該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的。此外該機(jī)構(gòu)還設(shè)計(jì)有遙控型水下機(jī)器人“JASON”，自治型水下機(jī)器人“SENTRY”等水下機(jī)器人。該機(jī)構(gòu)由于臨近海邊，并且擁有較為成熟的水下機(jī)器人測(cè)試技術(shù)，其測(cè)試、試驗(yàn)一般在海洋中進(jìn)行［21］。如圖6 為該研究所的工程師對(duì)作業(yè)型水下機(jī)器人JASON 號(hào)進(jìn)行的相關(guān)性能測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括整機(jī)性能測(cè)試、俯仰及船艏角度測(cè)試、推進(jìn)器性能測(cè)試、機(jī)械手作業(yè)能力測(cè)試、動(dòng)力定位能力測(cè)試、攝像機(jī)觀測(cè)能力測(cè)試、通訊及相應(yīng)能力測(cè)試等內(nèi)容。

圖6 美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所JASON 號(hào)水下機(jī)器人性能測(cè)試

3.3 英國(guó)Saab Seaeye 公司

英國(guó)Saab Seaeye 公司是國(guó)際頂尖的遙控型水下機(jī)器人制造商，其研制有10 款左右針對(duì)不同應(yīng)用需求的遙控型水下機(jī)器人，從小型的觀測(cè)性水下機(jī)器人Falcon到大型綜合型作業(yè)型水下機(jī)器人Jaguar，目前有500 余臺(tái)水下機(jī)器人銷往世界各地。Saab Seaeye 公司對(duì)于水下機(jī)器人的研發(fā)、生產(chǎn)制造、性能測(cè)試等有一套較為成熟的體系，是當(dāng)今水下機(jī)器人商業(yè)化的典范。Saab Seaeye 公司的工廠位于英國(guó)漢普郡的法漢姆，該工廠擁有頂尖的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室、生產(chǎn)車間和室內(nèi)水下機(jī)器人測(cè)試水池系統(tǒng)［22-23］。在水下無刷電機(jī)推進(jìn)器、Led 水下機(jī)器人探照燈、水下機(jī)器人云臺(tái)、水下機(jī)器人動(dòng)力控制系統(tǒng)方面都有較為成熟的研制技術(shù)和測(cè)試手段，保證了其在該領(lǐng)域的領(lǐng)先水平。如圖7 為該公司在法漢姆的室內(nèi)測(cè)試水池，在該水池中可進(jìn)行水下機(jī)器人多項(xiàng)關(guān)鍵性能的測(cè)試。

圖7 Saab Seaeye 公司水下機(jī)器人測(cè)試系統(tǒng)

從上述水下機(jī)器人測(cè)試國(guó)外現(xiàn)狀可知，凡是擁有先進(jìn)水下機(jī)器人研制技術(shù)的機(jī)構(gòu)，都有一套與之匹配的專門的測(cè)試系統(tǒng)，來不斷完善水下機(jī)器人的性能。然而，相比于國(guó)外先進(jìn)的水下機(jī)器人制造及測(cè)試技術(shù)，國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人的測(cè)試研究處于起步階段，除上述少數(shù)研究機(jī)構(gòu)外，更多的是關(guān)注于船舶相關(guān)性能的測(cè)試，而對(duì)于海洋探測(cè)的先驅(qū)“水下機(jī)器人”的研究和測(cè)試，國(guó)外的研究機(jī)構(gòu)更具有針對(duì)性，并具有成熟的產(chǎn)品和測(cè)試手段，這是值得國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)學(xué)習(xí)和提高的。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著人們對(duì)海洋領(lǐng)域的日益關(guān)注以及海洋技術(shù)的發(fā)展，水下機(jī)器人將在海洋水下探測(cè)、作業(yè)、援救中發(fā)揮越來越大的作用。而水下機(jī)器人測(cè)試技術(shù)作為水下機(jī)器人性能的保障，也必然成為水下機(jī)器人設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改造中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。完善的測(cè)試體系、科學(xué)的測(cè)試方法、良好的測(cè)試條件是保證水下機(jī)器人出廠、正常進(jìn)行水下工作的前提。

雖然目前國(guó)內(nèi)的水下機(jī)器人性能及其性能測(cè)試技術(shù)還不如國(guó)外的一些專門的研究所與高科技公司，但是從水下機(jī)器人測(cè)試的內(nèi)容與設(shè)備上看已經(jīng)較為接近，也有如浙江大學(xué)海洋裝備試驗(yàn)技術(shù)浙江省工程實(shí)驗(yàn)室開始起草相應(yīng)的水下機(jī)器人測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)家重視海洋，支持海洋經(jīng)濟(jì)、海洋工程技術(shù)發(fā)展的背景下，國(guó)內(nèi)的水下機(jī)器人測(cè)試技術(shù)將會(huì)越來越與國(guó)際接軌。

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