基于水下機(jī)器人的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用探索

高茜 王翔

（上海穎川佳固信息工程股份有限公司，上海201104）

1 概述

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水質(zhì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，這對(duì)海洋環(huán)境破壞的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和及早處理具有重要的意義。目前我們廣泛關(guān)注的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)方法包括現(xiàn)場(chǎng)采樣，專業(yè)監(jiān)測(cè)船或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)。這些方法的缺點(diǎn)是勞動(dòng)量大，效率低，成本高，效果不好。因此，我們需要根據(jù)水下情況開(kāi)發(fā)一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的系統(tǒng)，這對(duì)于海洋環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測(cè)應(yīng)用具有重要的研究?jī)r(jià)值。

2 項(xiàng)目背景

隨著科技水平的不斷進(jìn)步，水下機(jī)器人的ROV 越來(lái)越接近我們的工作和生活。水下機(jī)器人必須具有工業(yè)機(jī)器人的所有特性，并且還必須具有良好的密封性和耐腐蝕性。通過(guò)應(yīng)用，人類可以開(kāi)發(fā)更多的水下資源，例如海洋能源，陸地河流，湖泊資源等，并且水下機(jī)器人ROV 可以配備各種操縱器，水下工具等，以進(jìn)行水下操作。它已廣泛應(yīng)用于海洋工程，海洋軍事和水下工程的各個(gè)領(lǐng)域。本文重點(diǎn)介紹水下機(jī)器人在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

目前，水下機(jī)器人的ROV 裝備了先進(jìn)的導(dǎo)航、定位、推進(jìn)和控制設(shè)備，能夠準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定位置。最重要的是，它可以達(dá)到潛水員無(wú)法達(dá)到的深度，從而改變潛水員在水下的位置。只要操作人員在水面上作業(yè)，危險(xiǎn)環(huán)境不會(huì)危及人身安全。通過(guò)水下機(jī)器人的遙控操作，可以實(shí)現(xiàn)全方位的掃描探測(cè)，關(guān)鍵部位可以“停車”觀測(cè)，不僅可以快速探測(cè)到水文環(huán)境的整體情況，而且可以謹(jǐn)慎操作。查看本地詳細(xì)信息。遙控潛水器上的水下攝像機(jī)探測(cè)海床表面的狀態(tài)。ROV 載具攜帶上述監(jiān)測(cè)檢測(cè)儀器，包括pH 值、溶解氧和水礦化度監(jiān)測(cè)傳感器，溫度監(jiān)測(cè)傳感器與水溫分離葉綠素濃度傳感器等。

3 機(jī)器人解決方案

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)水下機(jī)器人是一種智能水下監(jiān)測(cè)設(shè)備。目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者根據(jù)機(jī)器人的智能化程度和使用需求，將水下機(jī)器人分為四類，他們分別是：拖曳式水下機(jī)器人、遙控式水下機(jī)器人、自主式水下機(jī)器人）和載人機(jī)器人。TUV 和ROV 在母船上通過(guò)電纜手動(dòng)連接和控制；AUV 又稱無(wú)纜水下機(jī)器人或自主水下機(jī)器人，智能控制自主導(dǎo)航；HOV 又稱載人潛水器，由水下作業(yè)人員控制。這些是現(xiàn)代海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的標(biāo)志性高科技裝備，并且與衛(wèi)星遙感、錨浮標(biāo)和潛艇觀測(cè)相結(jié)合，共同組成空天海立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，水下機(jī)器人技術(shù)也得到長(zhǎng)足進(jìn)步，機(jī)器人的市場(chǎng)種類繁多。水下機(jī)器人主要由機(jī)器人主機(jī)、控制通信、臍帶纜和控制平臺(tái)組成。其中，主機(jī)是一個(gè)具有水下高清攝像機(jī)、二維多波束圖像聲納傳感器等檢測(cè)傳感器的水下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。水下機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括主機(jī)架、水平推進(jìn)器、垂直推進(jìn)器、浮力材料、主艙、綴板、高度計(jì)聲納、高清攝像機(jī)、組合陀螺、水聲應(yīng)答器、水質(zhì)酸度計(jì)、鹽度計(jì)等。水下機(jī)器人的關(guān)鍵應(yīng)用過(guò)程如下：

3.1 水下機(jī)器人平臺(tái)主要由一些聲納設(shè)備組成，包括超聲聲納、成像聲納、水下拍攝、電視攝像機(jī)等。聲納設(shè)備的基本原理是利用水下聲波進(jìn)行探測(cè)、定位和通信，聲納通過(guò)遠(yuǎn)程測(cè)量產(chǎn)生和脈沖之間的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)自主研發(fā)的測(cè)量算法，可以準(zhǔn)確地定位水中的物體位置。

3.2 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)的功能是通過(guò)傳感器感知外部信息，對(duì)外部信息進(jìn)行分析、判斷和處理，通過(guò)輸出接口發(fā)出控制命令，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作，使整個(gè)機(jī)器人按照預(yù)期的特性工作。水下機(jī)器人海洋監(jiān)測(cè)平臺(tái)采用分布式控制系統(tǒng)，由水上和水下兩個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。水上的節(jié)點(diǎn)使用Intel x86 或其兼容的CPU體系結(jié)構(gòu)在其上運(yùn)行windows x time 操作系統(tǒng)。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：在windows 環(huán)境下，在上位機(jī)上使用功能強(qiáng)大的Visual C++6.0 編程工具，開(kāi)發(fā)高效的人機(jī)操作程序。為了便于調(diào)試和程序修改，控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括主程序、中斷服務(wù)程序、顯示子程序、濾波程序、推力分配子程序、顯示子程序、運(yùn)動(dòng)控制算法子程序等。

3.4 定位系統(tǒng)：由DVL、高度計(jì)聲納、測(cè)距聲納、深度計(jì)、羅盤等定位傳感器組成的定位系統(tǒng)，能提供大壩探測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制所需的位置信息（包括速度、高度、大壩距離、淹沒(méi)深度、航向角等）。sontek 公司Argonautdvl 測(cè)速儀：水下跟蹤方式跟蹤距離為600 米，測(cè)量范圍為6 米/秒，水下跟蹤精度小于測(cè)量速度的0.2%，分辨率（測(cè)量閾值）為0.1 厘米/秒；KVH 磁羅盤：精度±0.5%，重復(fù)性±0.2。，分辨率±0.1°，俯仰/ 滾轉(zhuǎn)測(cè)量范圍為gpan±16。固定高度聲納：最大測(cè)量深度為200m，最小測(cè)量深度約8m，工作頻率為150kHz，測(cè)量精度土壤約2.4%；深度果汁：最大測(cè)量深度為200m，測(cè)量精度土壤約0.1M。

通過(guò)在水下機(jī)器人上搭載各種傳感器，可以吸取各種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)。它不僅可以像測(cè)量船一樣巡航、觀察，而且可以進(jìn)入測(cè)量船和潛水員不能進(jìn)入的海域。它的運(yùn)行成本和效率都遠(yuǎn)高于拖體。是對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有益補(bǔ)充和完善。

4 監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目既包括風(fēng)向、氣溫、氣壓、溫度、光照、降雨量、水位、流速、流向、風(fēng)速等常規(guī)參數(shù)，還包括葉綠素、藍(lán)藻、氨氮、高錳酸鹽指數(shù)、全氮指標(biāo)、磷酸鹽、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、硅酸鹽、重金屬等多個(gè)參數(shù)。

目前，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)方法有兩種途徑：一種是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，即現(xiàn)場(chǎng)利用傳感器取樣，直接測(cè)量水質(zhì)參數(shù)；還有一種方法，也是很有用的方法就是“小型實(shí)驗(yàn)室”，該方法是將復(fù)雜的采樣分析過(guò)程更為簡(jiǎn)易化，解決了目前陸地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的分析方法向水下轉(zhuǎn)移的問(wèn)題，并且研制了一種類似于水下小實(shí)驗(yàn)室的特殊儀器，也就是海水被泵入儀器進(jìn)行測(cè)量。

利用水下機(jī)器人海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)容包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)智能分析、大數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)中心云平臺(tái)和智慧電源；數(shù)據(jù)采集主要用于采集影響海洋環(huán)境的各種傳感器參數(shù)，數(shù)據(jù)智能分析與數(shù)據(jù)采集相連，對(duì)采集到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理，并根據(jù)處理后的大數(shù)據(jù)對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行狀況評(píng)價(jià)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸將分析結(jié)果傳輸?shù)皆破脚_(tái)。云平臺(tái)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并向數(shù)據(jù)分析處理模塊發(fā)送設(shè)備控制信號(hào)，從而可以及時(shí)改變水下機(jī)器人的活動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)保證整個(gè)水下機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定供電。

基于水下機(jī)器人的海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活、方便。通過(guò)各系統(tǒng)模塊的相互配合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)分析結(jié)果傳送到系統(tǒng)大數(shù)據(jù)中心，通過(guò)以上所有流程保證海洋環(huán)境狀況的及時(shí)檢測(cè)和早期處理。

結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的污染物排放到海洋中，使我國(guó)海洋環(huán)境污染日趨嚴(yán)重。各類惡性海洋環(huán)境污染事故頻發(fā)，生態(tài)環(huán)境日益失衡。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，將為促進(jìn)海洋資源管理、環(huán)境保護(hù)、突發(fā)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海洋生產(chǎn)生活、各種軍事等活動(dòng)提供更好的信息平臺(tái)和預(yù)警裝備，為我國(guó)水域經(jīng)濟(jì)的振興和海洋國(guó)土的合理開(kāi)發(fā)提供有力保障。

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)在控制環(huán)境污染、保護(hù)海洋環(huán)境方面具有十分重要的作用。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是現(xiàn)代海洋社會(huì)發(fā)展的必然產(chǎn)物，這不僅與海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)，而且與海洋環(huán)境高質(zhì)量甲亢發(fā)展息息相關(guān)。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有很多，比如具有高效性、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性等等。這不僅對(duì)于海洋保護(hù)的經(jīng)濟(jì)成本有正相關(guān)作用，也對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)起著十分重要的作用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，一種能夠攜帶多種監(jiān)測(cè)儀器和工具的水下機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。與潛水員水下作業(yè)相比，ROV 水下作業(yè)具有作業(yè)范圍廣、勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，水下機(jī)器人在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。