多波束系統(tǒng)在智能水下機(jī)器人中的應(yīng)用展望

孫玉山， 李優(yōu)仁， 盛明偉， 龐永杰， 張國(guó)成

(哈爾濱工程大學(xué) a.水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， b.船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

多波束系統(tǒng)在智能水下機(jī)器人中的應(yīng)用展望

孫玉山a,b， 李優(yōu)仁a,b， 盛明偉a,b， 龐永杰a,b， 張國(guó)成a,b

(哈爾濱工程大學(xué) a.水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， b.船舶工程學(xué)院， 哈爾濱 150001)

在進(jìn)行深海地形探測(cè)方面?zhèn)鹘y(tǒng)的船載多波束存在精度低、成本高、效率低等問(wèn)題，不能完全滿(mǎn)足深海探測(cè)需求。采用智能水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)進(jìn)行深海探測(cè)和考察，已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。分析傳統(tǒng)船載多波束系統(tǒng)工作的弊端，結(jié)合AUV的特點(diǎn)闡述其搭載多波束系統(tǒng)進(jìn)行深海探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，介紹國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，提出我國(guó)多波束系統(tǒng)在A(yíng)UV應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題及展望。

智能水下機(jī)器人；多波束；應(yīng)用展望

0 引言

多波束系統(tǒng)不同于單波束測(cè)深系統(tǒng),它實(shí)現(xiàn)了從“點(diǎn)”“線(xiàn)”水下地形測(cè)量到條帶式、全覆蓋、“面”測(cè)量的變革，保證了較寬的掃幅和較高的測(cè)點(diǎn)密度，因而多波束測(cè)深具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點(diǎn)。多波束探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋礦產(chǎn)、考古調(diào)查研究、事故調(diào)查和勘探[1-3]等多個(gè)領(lǐng)域。不同載體深水多波束系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 不同載體深水多波束系統(tǒng)探測(cè)示意圖

國(guó)際航道組織(IHO)在1994年制定的國(guó)際水深測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：在高級(jí)別的水深測(cè)量中必須使用多波束全覆蓋測(cè)深系統(tǒng)。傳統(tǒng)的船載多波束系統(tǒng)等方式成本高、精度低、效率低。所以，采用智能水下機(jī)器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)系統(tǒng)進(jìn)行深海探測(cè)和考察，已經(jīng)成為海洋探測(cè)工作的重要發(fā)展趨勢(shì)。

1 AUV搭載多波束系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)的工作方式是通過(guò)水面船搭載多波束系統(tǒng)、水面船攜帶深水拖曳系統(tǒng)(拖魚(yú))或是采用動(dòng)力定位母船的遙控式水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)系統(tǒng)。在探測(cè)過(guò)程中人為控制航行探測(cè)路線(xiàn)，實(shí)時(shí)控制多波束系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)探測(cè)數(shù)據(jù)情況，有時(shí)還需要對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行反復(fù)精細(xì)探測(cè)。船載和拖拽式多波束系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船載(左)和拖拽式(右)多波束系統(tǒng)

傳統(tǒng)的船載多波束進(jìn)行探測(cè)的方式對(duì)于淺水地區(qū)探測(cè)比較適用，但是在對(duì)深水遠(yuǎn)海地區(qū)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，這種傳統(tǒng)的探測(cè)方式會(huì)出現(xiàn)較多弊端：(1) 對(duì)于遠(yuǎn)海地區(qū)的探測(cè)成本高，需要探測(cè)人員全程監(jiān)測(cè)。(2) 對(duì)于深海地區(qū)的探測(cè)，船載多波束系統(tǒng)需要設(shè)置低頻率進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，但是這樣會(huì)降低探測(cè)結(jié)果的精度，海底地形地貌效果不佳。此外，深遠(yuǎn)海域海況一般比較復(fù)雜，對(duì)于探測(cè)人員的安全不利。(3) 在進(jìn)行深海探測(cè)時(shí)，為了保證探測(cè)精度，使用鋼纜進(jìn)行拖拽多波束系統(tǒng)，使其可以在較高頻率工作狀態(tài)下對(duì)海底進(jìn)行探測(cè)，此時(shí)為了使探測(cè)地形完整，水面船的航行路線(xiàn)更加復(fù)雜，這樣會(huì)極大降低探測(cè)效率。(4) 船載多波束系統(tǒng)工作時(shí)，可能出現(xiàn)載體的姿態(tài)變化頻繁且幅度較大的情況，對(duì)探測(cè)工作造成較大影響。

AUV可以以穩(wěn)定的速度、精準(zhǔn)的高度控制和極小的姿態(tài)變化采集海底地形信息，與一般船載或者拖魚(yú)探測(cè)相比，AUV可獲得更加精準(zhǔn)的海底地形地貌，并且由AUV搭載多波束系統(tǒng)可對(duì)更深的海底地形進(jìn)行更高精度的探測(cè)[4]。AUV搭載多波束系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)任務(wù)主要有三方面的優(yōu)點(diǎn)：

(1) 成本低。傳統(tǒng)的船載多波束系統(tǒng)對(duì)搭載系統(tǒng)的試驗(yàn)船要求較高，而采用具有動(dòng)力定位母船的ROV系統(tǒng)，不僅母船的使用成本較高，而且由于系纜的存在，ROV進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)行動(dòng)緩慢，探測(cè)效率降低，從而導(dǎo)致總成本上升[5]。

水面船拖曳的深拖系統(tǒng)，在水深不足800 m時(shí)，通過(guò)拖船上的聲學(xué)設(shè)備對(duì)拖魚(yú)進(jìn)行定位；在超過(guò)800 m的水域，通常布置長(zhǎng)基線(xiàn)陣列對(duì)拖魚(yú)進(jìn)行定位。長(zhǎng)基線(xiàn)雖然精度高，但是成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，涉及在海底布放聲學(xué)位置應(yīng)答器信標(biāo)環(huán)網(wǎng)(基陣)，在初始階段為確保其可用性，需要冗長(zhǎng)的校準(zhǔn)過(guò)程。因此，為了提高探測(cè)精度，采用水面船拖曳的深拖系統(tǒng)往往需要兩艘船舶，一艘作為拖船，一艘作為航行在拖魚(yú)上方的定位船舶。深拖系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 深拖系統(tǒng)工作示意圖

(2) 精度高。一般的海底考察采用水面船拖曳的深拖系統(tǒng)，其拖纜底端的拖魚(yú)要保持在距海底十幾米的高度上航行，拖纜的長(zhǎng)度一般應(yīng)為深度的3倍。對(duì)于1 000～2 000 m的水深，其拖纜長(zhǎng)3 000～6 000 m。在這樣長(zhǎng)的拖纜下，拖魚(yú)容易受海流影響偏離預(yù)定航線(xiàn)。偏移距離甚至可達(dá)上百米，很難達(dá)到預(yù)期探測(cè)目標(biāo)。當(dāng)海底起伏不平時(shí)，水面船拖曳的深拖系統(tǒng)也很難保證拖魚(yú)距海底的指定高度。如果高度增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳；如果高度減少，將限制其探測(cè)的交叉覆蓋率，并增加與海底碰撞的危險(xiǎn)。

因此，采用水面船拖曳的深拖系統(tǒng)很難獲得設(shè)定航線(xiàn)上高精度的海底數(shù)據(jù)信息，而AUV卻能夠以穩(wěn)定的速度、精準(zhǔn)的高度控制和極小的姿態(tài)變化進(jìn)行海底地形探測(cè)工作，獲得高質(zhì)量的海底數(shù)據(jù)信息[6-7]，如圖4所示。此外，與船載多波束系統(tǒng)相比，AUV在深海地區(qū)可以探測(cè)到更高分辨率的多波束數(shù)據(jù)。例如，在2 000 m水深時(shí)，測(cè)深儀垂直噪聲可從7.0 m改善到0.2 m。類(lèi)似地，多波束聲吶的反向散射校準(zhǔn)可以從40 m的像素大小改善到小于1.0 m。AUV保持航線(xiàn)和高度控制的優(yōu)勢(shì)如圖5所示。

圖4 AUV保持航線(xiàn)和高度控制的優(yōu)勢(shì)

圖5 AUV與船載聲吶相比的優(yōu)勢(shì)

(3) 效率高。首先，與深拖系統(tǒng)相比，AUV能夠以較高航速進(jìn)行海底地形探測(cè)工作；其次，水面船拖曳的深拖系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)工作時(shí)，為保證距海底十幾米高度上的拖魚(yú)不與海底相碰，從一個(gè)設(shè)定航線(xiàn)轉(zhuǎn)入下一個(gè)設(shè)定航線(xiàn)時(shí)，必須通過(guò)繞半徑幾十公里大彎的方式回轉(zhuǎn)，往往需要2～6 h完成一次180°的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，探測(cè)效率較低。AUV能夠快速轉(zhuǎn)彎，僅需要幾分鐘的時(shí)間就可進(jìn)入下一個(gè)設(shè)定航線(xiàn)，探測(cè)效率較高。AUV在工作效率上的優(yōu)勢(shì)如圖6所示。

圖6 AUV在工作效率上的優(yōu)勢(shì)

此外，通過(guò)智能水下機(jī)器人搭載多波束系統(tǒng)進(jìn)行探測(cè)工作，能夠在更好地發(fā)揮多波束系統(tǒng)高精度探測(cè)能力的同時(shí)，使得智能水下機(jī)器人執(zhí)行更多、更全面的海上探測(cè)任務(wù)。

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)外很多高水平的探測(cè)水下機(jī)器人均搭載多波束系統(tǒng)[8]，例如：搭載Reson 7100型號(hào)多波束系統(tǒng)的DORADO水下機(jī)器人、嵌入EM系列多波束系統(tǒng)的HUGIN系列水下機(jī)器人以及搭載Kongsberg EM 2000的Autosub-Ⅱ水下航行器。

美國(guó)Hydroid公司生產(chǎn)的REMUS-100，REMUS-600和REMUS-6000等REMUS(Remote Environmental Monitoring Units)系列智能水下機(jī)器人性能卓越，已經(jīng)被多國(guó)采購(gòu)?？茖W(xué)家們利用REMUS智能水下機(jī)器人完成了大量的海洋環(huán)境觀(guān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。REMUS智能水下機(jī)器人及其探測(cè)的海底特征如圖7所示。

圖7 REMUS智能水下機(jī)器人及其探測(cè)的海底特征

此外，在對(duì)馬來(lái)西亞航空失聯(lián)班機(jī)MH370的搜救過(guò)程中，美國(guó)藍(lán)鰭水下機(jī)器人公司所派出的“藍(lán)鰭-21”水下機(jī)器人所搭載的是Reson 7125型號(hào)400 kHz的多波束系統(tǒng)，如圖8所示。資料顯示，該水下機(jī)器人長(zhǎng)4.93 m，直徑0.53 m，重750 kg，最大下潛深度為4 500 m，最大航速為4 kn，在標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載情況下可以以3 kn航速航行25 h。

圖8 “藍(lán)鰭-21”水下機(jī)器人

除了美國(guó)以外，日本、英國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和挪威等國(guó)家在應(yīng)用智能水下機(jī)器人完成海洋探測(cè)方面也都取得了明顯的、各有特色的成果，其中：日本、英國(guó)和俄羅斯在應(yīng)用智能水下機(jī)器人完成海洋環(huán)境探測(cè)，特別是海洋地質(zhì)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取等方面成果顯著；法國(guó)和挪威在應(yīng)用智能水下機(jī)器人完成海底管道的探測(cè)、海底地形地貌的探測(cè)方面業(yè)績(jī)突出[9]。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)在多波束探測(cè)技術(shù)方面的研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和天津海洋測(cè)繪研究所聯(lián)合研制成861型多波束探測(cè)聲吶實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。到20世紀(jì)90年代初，國(guó)家有關(guān)部門(mén)從國(guó)防安全和海洋開(kāi)發(fā)的戰(zhàn)略需要出發(fā)，委托哈爾濱工程大學(xué)主持，海軍天津海洋測(cè)繪研究所和原中船總721廠(chǎng)參加，聯(lián)合研制了用于中海型的多波束測(cè)深系統(tǒng)。2006年，哈爾濱工程大學(xué)成功研制了我國(guó)首臺(tái)便攜式高分辨淺水多波束測(cè)深系統(tǒng)，測(cè)量結(jié)果滿(mǎn)足IHO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求，這種小型的低功耗多波束探測(cè)系統(tǒng)是在A(yíng)UV上應(yīng)用的基礎(chǔ)，鑒定專(zhuān)家認(rèn)為其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平，具有極大的推廣價(jià)值[10]。

如今隨著國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)在研制多波束系統(tǒng)的同時(shí)將多波束系統(tǒng)嵌入水下機(jī)器人，完善了水下機(jī)器人的工作能力并且更好地發(fā)揮了多波束系統(tǒng)的功能。哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了近20年的AUV技術(shù)方面的研究，研制了多款“智水”系列AUV及探測(cè)型潛水器，實(shí)現(xiàn)了多種水下自主作業(yè)演示試驗(yàn)，并在國(guó)內(nèi)最早嘗試將多波束測(cè)深系統(tǒng)應(yīng)用在智能水下機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)了海底地形地貌的自主探測(cè)與掃描。綜合探測(cè)AUV及其探測(cè)的不同海域地形如圖9所示。

圖9 綜合探測(cè)AUV及其探測(cè)的不同海域地形

由天津大學(xué)和中海油田服務(wù)有限公司合作研發(fā)的3 000 m潛深水下機(jī)器人TUCOS-I便搭載Kongsberg EM 2040型號(hào)多波束系統(tǒng)執(zhí)行深海地勢(shì)地質(zhì)測(cè)量任務(wù)[11]。TUCOS-I智能水下機(jī)器人聲吶系統(tǒng)組成如圖10所示。TUCOS-I水下機(jī)器人在水下執(zhí)行任務(wù)時(shí)，會(huì)向EM 2040多波束系統(tǒng)提供瞬時(shí)姿態(tài)、位置、艏向等運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及高度信息和即時(shí)聲速信息，以便多波束系統(tǒng)整合探測(cè)信息。

圖10 TUCOS-Ⅰ 智能水下機(jī)器人聲吶系統(tǒng)組成

圖11為哈爾濱工程大學(xué)研制開(kāi)發(fā)的300 kg級(jí)小型AUV。為了實(shí)現(xiàn)在海洋資源考察、海底地形地貌探測(cè)、海洋數(shù)據(jù)采集等方面所需要的高精度需求，該AUV除了搭載常規(guī)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)外，也配備了GeoSwath Plus多波束系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型化、智能化、高精度的水下地形探測(cè)系統(tǒng)。

圖11 300 kg水下機(jī)器人多波束系統(tǒng)布置圖

此外，國(guó)內(nèi)多家研究所和公司所研發(fā)的水下機(jī)器人也搭載多波束系統(tǒng)，雖然實(shí)際應(yīng)用仍在初步階段，但是對(duì)其探測(cè)系統(tǒng)的研究在不斷發(fā)展。不僅是水下機(jī)器人，其他無(wú)人載體，例如水面無(wú)人艇，為了加強(qiáng)探測(cè)能力，也開(kāi)始搭載多波束系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)多波束系統(tǒng)在無(wú)人載體中的應(yīng)用同樣解決了傳統(tǒng)船載多波束探測(cè)存在的問(wèn)題。

3 應(yīng)用中的問(wèn)題及展望

實(shí)現(xiàn)多波束系統(tǒng)在智能水下機(jī)器人中的應(yīng)用，需要綜合考慮多波束系統(tǒng)和水下機(jī)器人載體二者的工作原理和特性，進(jìn)行探測(cè)前的校準(zhǔn)準(zhǔn)備工作以及路徑規(guī)劃工作都與傳統(tǒng)多波束探測(cè)有差異。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可能存在以下問(wèn)題：

(1) 多波束系統(tǒng)在水下機(jī)器人中的布置方式不同于傳統(tǒng)船載多波束系統(tǒng)。搭載試驗(yàn)設(shè)備的水面實(shí)驗(yàn)船一般體積較大、吃水較深，多波束系統(tǒng)的安裝位置對(duì)載體船的航行性能基本不會(huì)產(chǎn)生影響，因此在進(jìn)行設(shè)備安裝時(shí)只需要滿(mǎn)足多波束系統(tǒng)的工作要求即可。但是，AUV是一種小型水下探測(cè)載體，多波束系統(tǒng)的布置會(huì)對(duì)載體的航行性能產(chǎn)生影響，因此在安裝時(shí)要綜合AUV載體和多波束系統(tǒng)的兩方面要求進(jìn)行分析和布置，以保證地形探測(cè)任務(wù)的正常進(jìn)行。

(2) 船載多波束系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)過(guò)程中，外圍設(shè)備如GPS、姿態(tài)傳感器等設(shè)備與多波束系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)直接連接，多波束系統(tǒng)直接接收相關(guān)信息數(shù)據(jù)，融合生成地形信息。然而對(duì)于A(yíng)UV來(lái)說(shuō)，深度計(jì)、高度計(jì)、GPS和姿態(tài)傳感器等設(shè)備的信息要首先由AUV的控制計(jì)算機(jī)獲取，保證載體的正常工作，而后外圍設(shè)備的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給多波束系統(tǒng)進(jìn)行信息融合。這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生信息獲取的時(shí)間延遲，導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果存在誤差，減小時(shí)延誤差是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。

(3) 在進(jìn)行探測(cè)任務(wù)時(shí)，船載多波束系統(tǒng)可以根據(jù)需要實(shí)時(shí)改變航線(xiàn)，但是AUV在進(jìn)行探測(cè)之前需完成探測(cè)路徑的規(guī)劃工作。需要結(jié)合實(shí)際水域情況、AUV航行性能以及多波束系統(tǒng)的工作要求三方面進(jìn)行分析規(guī)劃，以保證探測(cè)工作的順利完成。

近年來(lái)，隨著海洋油氣工業(yè)的發(fā)展，特別是深海油氣工程的發(fā)展，對(duì)海洋調(diào)查、海底考察、海底管線(xiàn)探測(cè)等方面的需求越來(lái)越大。AUV已經(jīng)成為支撐深海探查和開(kāi)發(fā)深海資源、開(kāi)展深?？茖W(xué)研究、輔助進(jìn)行深海工程作業(yè)的重要技術(shù)手段和裝備之一。我國(guó)也正在加快海洋油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)，迫切需要在海洋油氣管道鋪設(shè)前進(jìn)行海底調(diào)查、鋪設(shè)中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、鋪設(shè)后及使用過(guò)程中的狀態(tài)檢測(cè)等工作。AUV搭載多波束探測(cè)系統(tǒng)以其低成本、高精度和高效率的性能優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注，對(duì)其研究和應(yīng)用將成為深海探測(cè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)智能水下機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，將多波束系統(tǒng)應(yīng)用到水下機(jī)器人中可以更好地發(fā)揮其水下探測(cè)能力。但是在國(guó)內(nèi)，多波束系統(tǒng)在水下機(jī)器人中的應(yīng)用技術(shù)仍然處在探索階段，需要在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行大量試驗(yàn)以?xún)?yōu)化其應(yīng)用效果，并且需要自主研發(fā)適合AUV搭載的低功耗小型多波束系統(tǒng)，才能真正實(shí)現(xiàn)將多波束系統(tǒng)融合在水下機(jī)器人的無(wú)人系統(tǒng)中，完美地進(jìn)行水下地形探測(cè)工作。

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Application Prospect of Multi-Beam Echosounder on AUV

SUN Yushan1,2, LI Youren1,2, SHENG Mingwei1,2，PANG Yongjie1,2, ZHANG Guocheng1,2

(a.Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory,b. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China )

Traditional shipborne MBES has many problems such as low precision, high cost and low efficiency when it is used for deep-sea exploration, and it can’t fully meet the needs of deep-sea exploration. It has become an important development trend to use Autonomous Underwater Vehile(AUV) for deep-sea exploration and investigation. The defects of the traditional operation mode of the MBES and the advantage of the MBES equipped on the AUV for deep-sea exploration integrating the feature of the AUV are analyzed.The domestic and foreign application status are introduced. The problems which may be encountered during the application and the prospect of this research are proposed.

Autonomous Underwater Vehicle(AUV); multibeam echosounder; application prospect

2016-05-23

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011AA09A106)

孫玉山(1973-)，男，副教授

1001-4500(2017)02-0014-07

P75

A