“海馬”號(hào)無(wú)人遙控潛水器

平 偉，馬廈飛，張金華，黃永展，唐玉濤

(上海交通大學(xué)，上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司，上海 200231)

“海馬”號(hào)無(wú)人遙控潛水器

平 偉，馬廈飛，張金華，黃永展，唐玉濤

(上海交通大學(xué)，上海交大海洋水下工程科學(xué)研究院有限公司，上海 200231)

本文介紹了自主研發(fā)、國(guó)產(chǎn)化率90%、工作深度達(dá)4 500 m的”海馬”號(hào)無(wú)人遙控潛水器。首先介紹ROV作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成，描述ROV總體設(shè)計(jì)，提出核心框架的設(shè)計(jì)理念，對(duì)ROV的電子控制系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明和分析。最后，重點(diǎn)介紹自主研發(fā)的ROV控制系統(tǒng)軟件，并對(duì)該軟件的特點(diǎn)進(jìn)行闡述。自主研發(fā)的深海作業(yè)型ROV“海馬”號(hào)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，在海洋科學(xué)研究、海底資源調(diào)查、水下油氣工程、深海救助打撈以及水下軍事領(lǐng)域等方面具有重要的價(jià)值和戰(zhàn)略意義。

“海馬”號(hào)ROV；作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成；總體設(shè)計(jì)；電子控制系統(tǒng)；自主開(kāi)發(fā)控制軟件

0 引 言

海洋是國(guó)家綜合實(shí)力和高科技的競(jìng)技場(chǎng)。深海作業(yè)系統(tǒng)是重要的海洋探查和作業(yè)平臺(tái)。它的研發(fā)使用，在全世界已有50多年的歷程。美、日、俄、法等國(guó)家已擁有從先進(jìn)的水面支持母船，到可下潛3 000～11 000 m的潛水器系列裝備[1]。

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在海洋探查技術(shù)裝備水平還存在一定差距。面向深海的諸多關(guān)鍵技術(shù)仍為少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家所壟斷，即便進(jìn)口，后續(xù)技術(shù)支持和技術(shù)服務(wù)也常常受制于人。目前國(guó)內(nèi)海洋調(diào)查和海洋油氣工程上使用的作業(yè)ROV多以進(jìn)口為主，最大作業(yè)深度為3 500 m。4 500 m是中國(guó)南海中央海盆的深度，更是一個(gè)具有中國(guó)海域特點(diǎn)的深度。這一深度，可以覆蓋我國(guó)南海98%的海域，研制這一深度級(jí)別的深海運(yùn)載和作業(yè)設(shè)備，能夠滿足我國(guó)絕大部分深海探測(cè)和作業(yè)的相關(guān)需求。

上海交通大學(xué)是“海馬”號(hào)ROV的主要研制單位，以上海交大?？圃旱乃颅h(huán)境條件模擬實(shí)驗(yàn)室為研發(fā)建造基地。該項(xiàng)目于2008年立項(xiàng)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)近6年的攻關(guān)，突破了本體結(jié)構(gòu)、浮力材料、液壓動(dòng)力和推進(jìn)、作業(yè)機(jī)械手和工具、觀通導(dǎo)航、控制軟硬件、升沉補(bǔ)償裝置等關(guān)鍵技術(shù)，是我國(guó)迄今為止自主研發(fā)的下潛深度最大、國(guó)產(chǎn)化率最高的無(wú)人遙控潛水器系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)國(guó)產(chǎn)化，已達(dá)到國(guó)外同類(lèi)先進(jìn)ROV的技術(shù)水平。

1 ROV作業(yè)系統(tǒng)構(gòu)成

“海馬”號(hào)ROV作業(yè)系統(tǒng)主要由甲板吊放回收系統(tǒng)、控制集裝箱、ROV本體（含水下作業(yè)工具系列）等部分組成，依托“海洋六號(hào)”作業(yè)母船開(kāi)展試驗(yàn)研究。可參見(jiàn)圖1所示。

1.1 ROV作業(yè)支持母船

“海馬”號(hào)ROV的作業(yè)支持母船為“海洋六號(hào)”，隸屬?gòu)V州海洋地質(zhì)調(diào)查局。該作業(yè)支持母船為ROV提供動(dòng)力和動(dòng)力定位（DP1），并且配備USBL超短基線定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)ROV的通信定位、甲板吊放回收等技術(shù)支持。

1.2 ROV甲板吊放回收系統(tǒng)

ROV吊放系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成如圖2 所示，主要由A型架、臍帶絞車(chē)、牽引絞車(chē)和交大研發(fā)的升沉補(bǔ)償器組成。

ROV吊放回收系統(tǒng)主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：

牽引絞車(chē)安全工作負(fù)荷 20 t；

適應(yīng)纜徑 32.8 mm/17.3 mm；

纜速 0.6 m/s（牽引力20 t）；1.2 m/s（牽引力10 t）；

儲(chǔ)纜絞車(chē)儲(chǔ)纜容量 6 000 m（纜徑32.8 mm）/ 10 000 m（纜徑17.3 mm）；

自適應(yīng)直角排纜；

深沉補(bǔ)償裝置最大補(bǔ)償幅度 ±2.5 m，安全工作負(fù)荷：12 t。

1.3 ROV本體

ROV本體構(gòu)成如圖3 所示，主要技術(shù)性能指標(biāo)如下：

最大工作深度 4 500 m；潛水器最大功率 130 hp；最大作業(yè)海況 4級(jí)；最大縱向航行速度 2.6 kn；五功能機(jī)械手；七功能機(jī)械手；有效載荷 260 kg；采樣籃底盤(pán)/海底觀測(cè)網(wǎng)布纜底盤(pán)；具有水下搜索、觀察、數(shù)據(jù)傳輸和記錄功能，提供作業(yè)工具接口。

1.3.1 ROV總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)是潛水器研發(fā)的關(guān)鍵，涉及到總體布置、材料科學(xué)、高壓密封技術(shù)、總體集成和試驗(yàn)技術(shù)等諸多難點(diǎn)。

“海馬”號(hào)ROV采用核心框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4根中心核心立柱主要承受ROV本體重量及其他載荷，頂部布置浮力材料，系統(tǒng)水下穩(wěn)定。主要組成和布置如圖4所示。

1）主結(jié)構(gòu)框架：主框架采用高強(qiáng)度鋁合金（6061–T6）焊接而成，強(qiáng)度具有足夠的安全裕度。

2）浮力材料塊：密度 0.53±0.02 g/cm3，耐全方位測(cè)試靜水壓強(qiáng)度 56.25 MPa；安裝于主結(jié)構(gòu)框架的頂部。

3）工具樣品底盤(pán)或布纜底盤(pán)，安裝于主結(jié)構(gòu)框架的底部下方。

4）機(jī)械手：5功能機(jī)械手和7功能機(jī)械手安裝于前方底部?jī)蓚?cè)。

5）推進(jìn)器：8臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)管螺旋槳推進(jìn)器，水平面4臺(tái)，垂直面4臺(tái)。

6）液壓動(dòng)力源：2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2個(gè)變量泵對(duì)稱安裝與底部左右兩側(cè)。

7）控制閥箱：共設(shè)計(jì)6個(gè)閥箱。分別為7功能伺服機(jī)械手控制閥箱，6功能機(jī)械手開(kāi)關(guān)閥箱，2個(gè)4功能螺旋槳推進(jìn)控制閥箱、云臺(tái)采樣籃控制閥箱，備用工具閥箱。

8）聲吶和信標(biāo)系統(tǒng)：1部搜索聲吶，1部超短基線信標(biāo)，1部無(wú)線電信標(biāo)，1部閃光信標(biāo)，位于器浮力材料前方，1部定高聲納位于框架底部。

9）水下燈：6只鹵素?zé)艉?只HMI燈；尾部2只鹵素?zé)?，浮力材料頂?只鹵素?zé)?，框架前?只鹵素?zé)艉?只HMI燈。

10）攝像系統(tǒng)：尾部云臺(tái)和浮力材料頂部各安裝1個(gè)彩色攝像頭，前部框架安裝1個(gè)高清和1個(gè)低照度攝像頭，前部云臺(tái)安裝1個(gè)彩色變焦攝像頭和1臺(tái)數(shù)碼相機(jī)。

11）云臺(tái)：首部2個(gè)自由度主云臺(tái)，尾部1個(gè)俯仰云臺(tái)。

12）電子艙：1個(gè)耐壓電子艙布置于框架底部后方。

13）變壓器箱：1個(gè)變壓器箱布置于框架核心底部。

14）電氣接口箱：1個(gè)臍帶終端艙和3個(gè)電氣接口箱，布置于框架核心支柱兩側(cè)和前部。

15）壓力補(bǔ)償器：6個(gè)2.5 L壓力補(bǔ)償器和1個(gè)0.5 L壓力補(bǔ)償器，安裝于四角支柱上。

16）油箱：1個(gè)液壓油箱位于框架前部。

主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

“海馬”號(hào)ROV的框架結(jié)構(gòu)采用6061-T6槽鋁焊接而成，它具備耐腐蝕性好、密度小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。ROV的框架焊接工藝和焊接質(zhì)量檢驗(yàn)按照行內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。通過(guò)對(duì)ROV框架焊接試件進(jìn)行18 t拉力等試驗(yàn)后，對(duì)焊接試件的物理特性和質(zhì)量進(jìn)行考核。起吊結(jié)構(gòu)使用的是316不銹鋼材料，316不銹鋼材料滿足強(qiáng)度要求之外，也滿足耐磨性需要。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)有限元分析計(jì)算，對(duì)ROV甲板存放、水中航行、吊放作業(yè)等不同工況時(shí)進(jìn)行相關(guān)力學(xué)校核。

系統(tǒng)采用8臺(tái)推進(jìn)器，其中4臺(tái)水平推進(jìn)器和4臺(tái)垂直推進(jìn)器分別采用矢量布置，保證了ROV有足夠動(dòng)力的同時(shí)，具備更良好的操控性，滿足水下前進(jìn)、后退、升沉、轉(zhuǎn)彎等功能要求。

“海馬”號(hào)ROV一共配備了包括1臺(tái)高清攝像機(jī)在內(nèi)的9臺(tái)攝像機(jī)，9只水下燈，攝像照明系統(tǒng)與云臺(tái)配合使用具有觀測(cè)效果。布置時(shí)，從ROV運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、攝像機(jī)的視距、視角、照明裝置的照度、水質(zhì)情況等因素加以全面綜合考慮，以獲得合理的照明攝像配置。

系統(tǒng)配置了2套水下機(jī)械手。其中，五功能機(jī)械手位于本體左前位置，七功能機(jī)械手位于右前位置，在水下互相配合工作，可操作各種水下作業(yè)工具，執(zhí)行諸如海底取樣、線纜切割等水下作業(yè)任務(wù)。

研制過(guò)程中，解決了系統(tǒng)散熱、穿艙密封等眾多技術(shù)難點(diǎn)，研制出整體插拔式電子艙和各種耐壓結(jié)構(gòu)，攻克了深海設(shè)備的重要環(huán)節(jié)，相關(guān)技術(shù)經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)。

1.3.2 ROV電子控制系統(tǒng)

基于安全方面、便于維護(hù)升級(jí)、添加傳感器節(jié)點(diǎn)方面的考慮，“海馬”號(hào)ROV的電子控制系統(tǒng)采用了透明分布式處理、多傳感器節(jié)點(diǎn)的組成架構(gòu)[4]，如圖5所示。電控系統(tǒng)對(duì)所有電氣和信號(hào)進(jìn)行隔離，確保各個(gè)部分相對(duì)獨(dú)立，增加了系統(tǒng)的可靠性，便于故障判斷和系統(tǒng)維護(hù)，同時(shí)擴(kuò)充更多控制節(jié)點(diǎn)、利于系統(tǒng)升級(jí)改造。自主開(kāi)發(fā)了高清采集、高清傳輸、高清顯示和保存高清攝像系統(tǒng)。

“海馬”號(hào)ROV的內(nèi)部板卡將所采集到信息的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿妫ㄟ^(guò)水面的上位機(jī)軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到所需要的轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。水下板卡不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何形式的處理，僅進(jìn)行濾波操作，水面部分根據(jù)端口以及協(xié)議的不同去處理數(shù)據(jù)，一方面能夠減小水下板卡對(duì)數(shù)據(jù)的處理壓力；另一方面，由水面處理數(shù)據(jù)，在檢測(cè)項(xiàng)目或者接口時(shí)，不需打開(kāi)電子艙進(jìn)行操作，僅僅打開(kāi)接口箱進(jìn)行跳線以及對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行維護(hù)即可，大大方便了設(shè)備維護(hù)以及設(shè)備的控制通信節(jié)點(diǎn)的增加以及更新升級(jí)。

電控系統(tǒng)對(duì)設(shè)備做了充分的狀態(tài)監(jiān)控，使得用戶能夠得到足夠的關(guān)于設(shè)備在水下?tīng)顟B(tài)的信息，包括各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓電流絕緣電阻等重要參數(shù)。這些參數(shù)包括各個(gè)輸出端口的電壓、電流，所有的供電接口均進(jìn)行了在線絕緣檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水下設(shè)備電源安全性，防止由于絕緣問(wèn)題導(dǎo)致的電源故障。

所有接口均進(jìn)行了獨(dú)立的電源隔離與信號(hào)隔離，可以保證在部分功能因故障受損后，其他功能的影響達(dá)到最小。所有電源均為隔離單路電源，互相之間不受干擾，且可以獨(dú)立控制。內(nèi)部通信采用了工業(yè)用串行總線形式，符合EIA規(guī)范所規(guī)定的物理層規(guī)范，能夠在較高的速率，較低的誤碼率下接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。

光端機(jī)輸出的6根光纖經(jīng)過(guò)CWDM融合為1根光纖，減少了臍帶纜對(duì)光纖的壓力。同時(shí)，水面光端機(jī)部分有著能夠熱切換光纖通道的開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一路光纖信號(hào)衰減比較大時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行光纖通道的時(shí)間，確保水下設(shè)備的通信不會(huì)中斷，提高了安全性。

攝像頭對(duì)于ROV來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于ROV的眼睛，攝像頭所能夠獲得視頻信號(hào)的好壞，直接決定了ROV水下作業(yè)時(shí)的質(zhì)量、效率以及后期處理時(shí)所能獲得的數(shù)據(jù)。“海馬”號(hào)ROV使用了HD-SDI接口進(jìn)行視頻傳輸，使得水面上能夠獲得1080I的超高清的圖像信息，即視頻信號(hào)達(dá)到了廣播級(jí)水平?！昂ｑR”號(hào)ROV采用的HD-SDI攝像頭作為水下視頻源。該視頻信號(hào)通過(guò)了特制的水面接口傳送進(jìn)電子艙，信號(hào)通過(guò)了一個(gè)能夠完成視頻信號(hào)的物理隔離的隔離器后，信號(hào)被送入HD-SDI光端機(jī)。HD-SDI光端機(jī)能夠?qū)⑺俣葹?.485 Gb/s的信號(hào)快速的轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并傳送給水面部分。水面由1臺(tái)42寸高清顯示器供HD-SDI視頻信號(hào)顯示，1臺(tái)HD-SDI的視頻保存設(shè)備。

1.3.3 “海馬”號(hào)ROV控制系統(tǒng)軟件

“海馬”號(hào)ROV控制系統(tǒng)軟件是完全自主開(kāi)發(fā)，該軟件以QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用分布式設(shè)計(jì)，安裝在主駕駛計(jì)算機(jī)和主控制計(jì)算機(jī)內(nèi)。

主駕駛計(jì)算機(jī)提供了可視化，可觸屏操作的人機(jī)交互界面，如圖6所示。人機(jī)交互界面產(chǎn)生的操作指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳到主控制計(jì)算機(jī)，然后通過(guò)它內(nèi)部安裝的MOXA卡發(fā)送操作指令到水面光端機(jī)。主控臺(tái)和便攜控制盒發(fā)送的操作指令也直接傳送到水面光端機(jī)。水面光端機(jī)通過(guò)光纖連接到ROV的臍帶纜，然后傳送到ROV電子艙內(nèi)的水下光端機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ROV本體上的不同設(shè)備進(jìn)行可靠實(shí)時(shí)的分布式控制。

控制系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)ROV的水下運(yùn)動(dòng)控制。ROV操作人員通過(guò)水面集裝箱內(nèi)的操作手柄控制ROV水平方向和垂直方向運(yùn)動(dòng)。該軟件上還設(shè)計(jì)有自動(dòng)定向，自動(dòng)定高和自動(dòng)定深等自動(dòng)控制功能，在水下打撈，水下施工時(shí)可自動(dòng)保持ROV的方向不變，距離水底的高度或距離水面的深度不變，方便操作人員控制水下機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)。

另外，控制系統(tǒng)軟件能夠監(jiān)測(cè)ROV上的艙體是否出現(xiàn)漏水，如果出現(xiàn)漏水情況，軟件會(huì)實(shí)時(shí)顯示出具體漏水告警信息并通過(guò)聲光信號(hào)提醒ROV操作人員，還能監(jiān)測(cè)高低壓絕緣情況和水面集裝箱內(nèi)的配電情況，一旦高低壓絕緣值或配電參數(shù)值出現(xiàn)異常，軟件都會(huì)實(shí)時(shí)顯示出相應(yīng)的告警信息，并通過(guò)聲光信號(hào)提醒ROV操作人員；補(bǔ)償器、深度計(jì)、高度計(jì)、電子羅盤(pán)、陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)軟件實(shí)時(shí)記錄。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，就能夠獲取ROV在水下某個(gè)時(shí)刻的具體相關(guān)信息。借助這一軟件，技術(shù)人員曾經(jīng)在海試時(shí)發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償器油量不足，迅速采取相應(yīng)補(bǔ)救措施，保障了海試順利完成。

除此之外，控制系統(tǒng)軟件還能控制ROV上的云臺(tái)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整云臺(tái)上的攝像機(jī)觀察角度，還可以控制ROV上的鹵素?zé)?，LED燈和HMI燈的開(kāi)關(guān)，這些對(duì)于水下打撈，水下施工時(shí)尋找水下目標(biāo)物提供了極大的便利。時(shí)間值、深度值、高度值、航向值、纜轉(zhuǎn)數(shù)、下潛次數(shù)、GPS或USBL提供的經(jīng)緯度值等數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)揭曨l字符疊加器，在視頻畫(huà)面上實(shí)時(shí)疊加這些有用信息，集裝箱內(nèi)配備有硬盤(pán)錄像機(jī)，可以錄制水下視頻圖像信息，方便以后進(jìn)行回放和資料分析。

無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室水池試驗(yàn)階段，還是在南海進(jìn)行的3個(gè)海洋試驗(yàn)航段中，ROV控制系統(tǒng)軟件都體現(xiàn)出了高可靠性和高實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)?！昂ｑR”號(hào)ROV控制系統(tǒng)軟件是我國(guó)國(guó)內(nèi)首套完全自主開(kāi)發(fā)的具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ROV控制軟件，為我國(guó)今后的ROV控制系統(tǒng)軟件國(guó)產(chǎn)化作出了探索性的貢獻(xiàn)。

2 結(jié) 語(yǔ)

“海馬”號(hào)ROV于2014年通過(guò)了“863”計(jì)劃海洋技術(shù)領(lǐng)域組織的海上試驗(yàn)驗(yàn)收，最大深度達(dá)到4 502 m?！昂ｑR”號(hào)的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)全面突破了深海無(wú)人遙控潛水器的相關(guān)核心技術(shù)，具備了自主開(kāi)發(fā)能力，是我國(guó)深海技術(shù)裝備領(lǐng)域繼“蛟龍”號(hào)載人潛水器之后取得的又一標(biāo)志性成果。通過(guò)進(jìn)一步推動(dòng)”海馬”號(hào)ROV示范應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，將有力推動(dòng)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展，在我國(guó)深海資源開(kāi)發(fā)和深?？茖W(xué)研究等海洋科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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HAIMA ROV

PING Wei, MA Xia-fei, ZHANG Jin-hua, HUANG Yong-zhan, TANG Yu-tao
(Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University Underwater Engineering Institute Co.,Ltd)

This paper introduces the ROV named Sea Horse, it is rated to a depth of up to 4 500 m in seawater. It is developed domestically, with 90% of its parts and components having been obtained locally. First, the formation of the ROV operation system is introduced. Then the general design of the ROV is described alongside the core frame design. Finally, the characteristics of the ROV control system's independently developed software is elaborated upon. The key technological components and parts of the ROV have been developed domestically, and have been proven successful through numerous deep sea trials. This ROV, while highly capable for ocean science research, seabed resource surveying, and underwater oil engineering, it also provides an immeasurable significance for future ocean exploration, ocean travel, deep sea salvage, and life saving purposes.

HAIMA ROV；the formation of ROV operation system；general design of ROV；electronic control system；the ROV control system software

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1672 – 7649(2017)08 – 0138 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.029

2016 – 12 – 06

平偉(1984 – )，男，工程師，從事水下無(wú)人遙控潛水器(ROV)的機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)和設(shè)備研發(fā)工作。