水下機器人的應用現(xiàn)狀

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水下機器人的應用現(xiàn)狀

摘要：《國際水力發(fā)電和大壩建設》(IWP & DC) 雜志介紹了有關大壩和水電站檢測設備的很多細節(jié)。在對大壩和水電相關的其他一些基礎設施進行檢測時，如何接近這些設施往往是對操作人員的一大挑戰(zhàn)。因此，很多操作人員就會借助于無人遙控潛水設備(水下機器人(ROV))來協(xié)助探查。主要針對目前市場上一些常用的水下機器人設備的種類、型號和功能，以及它們在國際上的應用情況進行了介紹。

關鍵詞：水工建筑物管理；大壩監(jiān)測管理；水下機器人

1水下逆流航行記錄

2014年底，希巴德近海岸(Hibbard Inshore)公司曾創(chuàng)下了最長淹沒隧道逆流檢測的記錄。該公司負責人說，這項任務只有薩博Seaeye Sabertooth型自主式水下航行器(AUV)/ROV混合水下機器人才能承擔。對于有纜遙控潛水設備來說，實時數(shù)據(jù)反饋、設備控制以及安全措施非常重要。對Sabertooth型水下機器人，配備有一系列測量和攝影系統(tǒng)，在0.3 m/s的流速水環(huán)境中能夠行進8 km。這一成就使其在力拓集團(Rio Tinto)哥倫比亞鋁冶煉廠檢查任務期間維持了重要的水補給。因需要在一個“非?？臁钡? h內完成檢查任務，所以隨著流量的減少，速度非常重要，Hibbard Inshore公司的部門主管D.馬拉克(Malak)如是說。

Sabertooth型號水下遙控潛水設備裝備有多波束系統(tǒng)和相機云臺，能夠提供水下隧道三維分析，以及隧道壁的狀態(tài)和所關心區(qū)域的高清視頻檢查記錄。力拓集團擁有一個有著4 a之久的水下隧道重要資產(chǎn)，需要徹底檢查，找出潛在的崩塌區(qū)以作出維修規(guī)劃，并能提供可用于隧道狀態(tài)變化趨勢分析的可比數(shù)據(jù)。

2013年底，Hibbard公司又創(chuàng)下了一項新紀錄，它成功地完成了澳大利亞境內雪山水電項目長24 km的隧道檢查任務。在執(zhí)行任務的過程中，同樣采用了聯(lián)機模式的Sabertooth型號水下機器人。該款水下機器人設計理念是將自主式水下機器人和遙控潛水設備的技術整合成統(tǒng)一的優(yōu)化資源提供給用戶，使其不僅具備自主式水下機器人在工作范圍和操作靈活性上的優(yōu)點，同時也具有遙控潛水設備在能源動力、工作便捷度方面的優(yōu)勢。

Hibbard Onshore是第一個發(fā)現(xiàn)Sabertooth型水下機器人潛力的公司，它認識到該款水下機器人具有360°自由旋轉運行、流暢的動壓軸承設計、高效的推進器、精確的導航以及在有限的空間里應對水流等能力。同時，它也看到了內置的大容量電池技術可以滿足長距離、長時間水下工作應用的需求。只有當需要的時候，它才會通過光纖臍帶纜與水下基站連接，以進行充電。

2海獅、水獺型水下機器人及ROV

美國JW Fishers公司的水下機器人是一款可以往任意方向移動的水下攝像系統(tǒng)，在水面進行控制，能夠無限制地潛水停留，可以進行管道巡查、河流和海洋搜索、壩體巡查、石油和天然氣平臺工作、養(yǎng)魚場、危險場所檢查等水下搜索或檢查作業(yè)。這款水下機器人可以大大縮減搜索時間以及高成本和高風險的潛水檢查。當配備RMD-1金屬探測器時，水下機器人可以定位槍支，搜索未爆彈體、管道線路、海底寶藏或其他一些金屬物體等。

可供選擇的型號有Sealion-2 和 SeaOtter-2。SeaLion-2型ROV水下機器人是Fishers公司很受歡迎的一款SeaLion型ROV水下機器人的新一代。它有4個高輸出功率可逆變速馬達，可以快速移動，比SeaOtter-2型水下機器人的性能更強大。

另外，當Sealion-2型水下機器人在水下遭遇突發(fā)海流時，它會產(chǎn)生額外的推力，從而保持平穩(wěn)的工作狀態(tài)。它的工作深度為304.8 m(1 000 ft)，最長連接線纜有457.2 m(1 500 ft)，同時配備了可平移或傾斜的前后方云臺彩色攝像機。前方攝像機由2個100 W鹵鎢燈泡提供照明，后方攝像機的光線則由一個超亮的LED燈環(huán)提供。

SeaLion-2由PS-2水面甲板控制單元控制，PS-2內置3.81 cm(15 inch)的高清顯示器。ROV的推進器命令、相機和光源的操控等均由PS-2甲板控制單元管理，也可以根據(jù)需要選擇無線控制器。垂直操縱桿輕推ROV至水下，水平方向的輕推力使ROV在水底的上方爬行。控制面板上有插孔和放大器，可以滿足每個作業(yè)的要求。

視頻輸出插孔允許同時使用內部顯示器和遠程監(jiān)控器，這樣，其他觀測者不必擁擠在控制臺就可以看到圖像。內置的視頻放大器可以調整圖像畫面質量，讓水體視頻的清晰度達到最佳狀態(tài)。用戶也可以自行聯(lián)系DVD錄像師，制作一個記錄水下場景的永久視頻記錄。借助音頻放大器，語音也可以被記錄到視頻圖像中。

SeaLion-2型水下機器人可供選購項包括：最長457.2 m(500 ft)的線纜、線纜管理系統(tǒng)、屏幕參數(shù)顯示(時間/日期/GPS/航向/深度/距底部距離)、2個側邊彩色攝像頭(由4個照相機組成)、自動深度控制、自動離底距離監(jiān)測、ROV計算機控制、外置DVD刻錄機、內置DVR錄像機、視頻文字疊加、機械手、金屬探測器、掃描聲吶以及備用部件套件。

SeaOtter-2 水下機器人有很多與SeaLion相似的特征，但沒有SeaLion的性能強大。它更適用于中低速的海流區(qū)域。這款水下機器人同樣擁有前后方可傾斜彩色攝像機，照明設備由前端2個50 W的鹵鎢燈泡和尾部的高亮LED燈環(huán)組成。該款ROV最長工作線纜為152.4 m(500 ft)，并配備有73.152 m(240 ft)的線纜系統(tǒng)控制和10.4英寸高分辨率高亮顯示器。ROV的推進器、攝像機以及燈光的命令通過PS2手柄控制。

SeaLion-2型水下機器人可供選購項包括：最長152.4 m(500 ft)的線纜、線纜管理系統(tǒng)、屏幕參數(shù)顯示(時間/日期/GPS/航向/深度)、自動深度控制、外置DVD刻錄機、操作臂、金屬探測器、掃描聲吶以及備用部分套件。

3遙控檢測

美國因努克吐恩(Inuktun)公司的產(chǎn)品可以滿足水利電力行業(yè)許多遠程遙控檢測的需求。該產(chǎn)品的潛水系統(tǒng)使用方便，已使其成為大壩和水閘檢測的理想工具，而且也適合偏遠場所。該公司的產(chǎn)品主要有Versatrax 100，Versatrax 100 MicroMag和Helios。

Versatrax 100產(chǎn)品是一個微型爬行器，能夠檢測直徑小到4英寸，即直徑大約為10 cm的管道。該爬行器可以根據(jù)不同的管道尺寸提供串聯(lián)和并聯(lián)2種檢測方式。

同時，該Versatrax 100也是個便攜爬行器，其整個系統(tǒng)被封裝成2個Pelican機箱(包括線纜和手動絞盤)。盡管它體積不大，但卻有足夠的動力來穿越大約180 m長的管道，具有良好的越障能力。

Versatrax 100 MicroMag型號管道機器人是一款緊湊、防水、有磁性的移動機器人。它可以實施快啟動工作，實時傳回錄像信息，并可以吸在鐵的表面，適宜于各類應用。另外，可以對其實施遠程控制，即使在水下也可以進行水平、垂直和倒轉操作。

一臺標準的MicroMag型爬行器配備有一個鋁制底盤、稀土磁鐵、一堆堅固的鋁制激光粒度分析儀、一個可平移和傾斜的照相機和6個高亮度的LED燈，以及2個可變亮度的鹵燈，以便在需要時輔助照明。當遇到光照不足、灰塵、雨、雪、霧、煙以及渾水等不利條件時，拍攝高質量的視頻圖像會變得十分困難。因努克吐恩公司的實時視頻圖像增強系統(tǒng)(即Helios)可以自動校正這些可見性問題，極大提高圖像的清晰度、亮度，減輕邊緣效應。該Helios平臺可以捕捉平常肉眼所不能捕捉到的一些視頻圖像細節(jié)。

Helios視頻圖像處理系統(tǒng)，與標準的因努克吐恩公司生產(chǎn)的管道機器人的控制器、照相機進行了集成，是負責視頻工作環(huán)節(jié)的專業(yè)人員必不可少的，相當實用。

4大壩監(jiān)測

Teledyne SeaBotix水下爬行機器公司，是Teledyne海事集團的成員之一，是迷你型ROV(MiniROV)的制造商。該公司旗下的水下機器人可用于執(zhí)行海事安全、搜索和恢復、船體維修、管道檢查，以及一些基礎設施檢查等多項任務。該公司生產(chǎn)Seabotix LBV系列的產(chǎn)品，而且其產(chǎn)品近期被San Diego公司(專門從事水下地形成像、檢測和調查工作)應用在Pro-ROV服務中。借助于該產(chǎn)出，在3周多的時間內完成了懷俄明州3座(Twin Lakes, Tie Hack and La Prele)大壩的安全檢查。

該LBV系列水下爬行機器人通用多功能平臺可以提供以下主要功能。

(1) 攝像機，用于取水塔出口閘門和低水位水庫排水工程照相和錄像。

(2) 超聲波測厚度儀，用于測量出水管的厚度。

(3) 深度探測器，用于采集一些水庫測深數(shù)據(jù)。

Pro-ROV服務還利用了SeaBotix LBV300-6型水下機器人來檢查福爾松(Folsom)大壩前池溢洪道底部的渾濁帷幕。在基威特(Kiewitt)建筑工程中，巴拉德(Ballard)潛水隊采用迷你型ROV(MiniROV)代替潛水員潛入水下工作，并從9.144 m(30 ft)的船上獲取110 V的電能。該項檢測工程的目的是想查看并記錄每個渾濁灌漿帷幕的接縫，并觀察帷幕沿底部是否有移動。每個接縫大約是15.24 m(50 ft)寬，并有從帷幕底部向上移動的趨勢。由于水底有大量的渾濁泥沙沉積，使檢測深度較淺，只有9.144 m。

能見度較低帶來的檢測困難同樣存在于接觸帷幕底部的可見線時(用于上下移動帷幕)，視頻檢查覆蓋了很長一段距離，并在1 d之內完成。在作業(yè)過程中，LBV水下機器人的操作臂手負責拉開帷幕和ROV的線纜。利用MiniROV型水下機器人可以縮短檢測時間，從而節(jié)約了成本，并替代潛水員完成水下檢查工作；另一方面也可以減少風險，符合大壩安全協(xié)議的相關規(guī)定。

Pro-ROV服務公司的操作員Mark Stepanek說，這個公司的一個客戶—巴拉德潛水隊(Ballard)，請求公司使用SeaBotix vLBV-4000型水下機器人完成另外一個項目。公司也因此接受并執(zhí)行了該請求，LBV水下機器人在檢查過程中表現(xiàn)的十分出色，結果也令人滿意，公司也因此提前完成了項目的計劃任務。

福爾松大壩溢洪道工程是美國軍隊和內政部合作的一個項目，投資大約為9億美元。該項目計劃完工時間為2017年。屆時，在洪水期間，水庫蓄水將可以得到有效泄放。水庫和大壩是水電工程的一部分，可以提供防洪、發(fā)電、灌溉以及城市供水等多種用途。

泰里達因遙控潛水機器人(Teledyne SeaBotix)公司除了生產(chǎn)LBV系列機器人產(chǎn)品以外，同時也生產(chǎn)LBV300-5型水下機器人產(chǎn)品。

MiniROV水下機器人作為一個非常穩(wěn)定和靈活的傳感器平臺，可以在數(shù)分鐘內從一個4軸轉變成一個5軸的爬行器。它能以22+的kgf(千克力)的吸引力在任何堅硬或平坦的基礎設施上移動，比如大壩、船只和海提等。檢測表面和傳感器之間沒有相對運動，檢測輸出結果的質量可能是最高的，并且操作者的疲勞度可以得到大大降低。

5水下高分辨率檢測

在2014年中期，加拿大St. Catharines, Onatario有限公司的ASI 海洋部門，有機會重返哥倫比亞洛基(Rocky)山脈基馬諾(Kemano)隧道上游進行高分辨率多波束調查。ASI海洋部門此前證實了水下機器人可以用于在充滿水的隧道中收集有用的信息。在2010年的某個項目中，2個水下機器人從隧道兩端同時進行檢測，掃描聲吶、導航聲吶和視頻，被用于描述短段隧道的狀況。中途有個小小的中斷，共持續(xù)了4 h左右。

在2014年的某個項目中，利用ASI 海洋的高度改裝的Mohican型水下機器人，對用戶感興趣的隧道上游8 km的一個區(qū)域進行檢查。除了能夠給系統(tǒng)提供獨立電源的發(fā)電機外，ASI 海洋的其他設備由直升機送至2臺升降機的入口處。其中，一臺升降機用于運送帶有10 km長臍帶纜的絞車，另一臺升降機則用于運送水下機器人(ROV)的其余設備。ASI 海洋部門同時擁有LBV 300XL緊湊型水下機器人，用于在主水下機器人潛水和修復期間，作為一個觀測設備而存在。

ASI Marine部門的Mohican型水下機器人帶有3個立信(Reson)高分辨率多波束裝備，3個藍景(BlueView)M900聲吶，一個Tritech SeaKing型號掃描聲吶以及一個CDL MiniPOSNAV型慣性導航系統(tǒng)，用于關聯(lián)和標記所有與精確定位有關的數(shù)據(jù)。視頻系統(tǒng)包括一個標準的高清攝像頭，另外增加了2個高速的500萬像素數(shù)碼照相機，用于靜態(tài)場景的拍攝。

利用多波束聲吶收集的數(shù)據(jù)生成一個帶有地理參考的點云模型，每米隧道的點云多達30 700個。通過三維建模，可以準確地顯示各種隧道襯砌的狀態(tài)，以及早在2010年標識的感興趣的項目。同時，提供了局部網(wǎng)格和標準UTM這2種地理參考方式，可以根據(jù)需要進行選擇。具有地理參考的這些數(shù)據(jù)，可以與其他用戶數(shù)據(jù)進行整合、集成。

(楊勝梅趙秋云編譯)

文獻標志碼：中圖法分類號：TV698.239A

文章編號：1006-0081(2015)11-0029-03

收稿日期：2015-09-15