我國深海作業(yè)級ROV技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展展望

沈 克，嚴 允，晏紅文

（上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，上海 201306）

0 引言

深海的科學考察和資源開發(fā)離不開先進的技術(shù)和裝備。目前深海領(lǐng)域的科考和作業(yè)主要依賴于深海作業(yè)級遙控潛水器（remotely operated vehicle, ROV），其作業(yè)深度大、作業(yè)時間長，能夠抵抗相對惡劣的海洋環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于海洋地質(zhì)和生物考察、海底光纜和管道的輔助鋪設(shè)、深海救助和打撈、水下結(jié)構(gòu)物的監(jiān)測和檢查等領(lǐng)域[1-4]。目前國內(nèi)外針對深海作業(yè)級ROV的研究主要集中在動力傳輸、導航定位、通信、水下目標探測和識別以及整機系統(tǒng)的輕量化、自動化、智能化等方向，通過解決遠距離動力傳輸和通信，提高導航定位精度以及整機系統(tǒng)的穩(wěn)定性、靈活性和安全性，來最大限度地實現(xiàn)系統(tǒng)智能化。本文通過對深海作業(yè)級ROV國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，探討了其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢，并對我國深海作業(yè)級ROV產(chǎn)業(yè)進行了展望。

1 深海作業(yè)級ROV系統(tǒng)國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外

國外對作業(yè)級ROV的研究較早且技術(shù)相對成熟，知名研究機構(gòu)有英國海事技術(shù)中心、美國海軍研究生院智能水下運載研究中心、美國佛羅里達大西洋高級海洋系統(tǒng)實驗室等。國外知名ROV制造企業(yè)有：美國的Oceaneering；英國的SAAB Seaeye, SMD,TechnipFMC；挪威的Argus等公司。美國Oceaneering公司是國際知名的ROV制造企業(yè)，在全球范圍內(nèi)約有400多臺ROV，占據(jù)世界鉆井支持業(yè)務(wù)的30%[2]。英國SAAB Seaeye公司是一家致力于電動ROV研發(fā)和生產(chǎn)的知名企業(yè)，生產(chǎn)的ROV約占全球ROV市場份額的14%；其ROV的核心技術(shù)和競爭優(yōu)勢是iCON分布式智能控制系統(tǒng)，它將推進器、攝像機、水下燈等節(jié)點以并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形式連接，每個節(jié)點具有獨立的微處理器，使得各節(jié)點獨立運行、互不干擾，并且該款ROV擁有雙供電備份系統(tǒng)，從而保證了系統(tǒng)的可靠性。位于挪威卑爾根市的Argus公司，也是一家致力于電力驅(qū)動ROV設(shè)計與制造的公司，其作業(yè)級ROV實物如圖1（a）所示。英國SMD公司于2003年收購Hydrovision公司后進入作業(yè)級ROV市場，目前有Atom（輕量級）、Quasar（中量級）和Quantum（重量級）3種系列ROV產(chǎn)品，如圖1（b）所示。

圖1 作業(yè)級ROVFig.1Work-class ROV

1.2 國內(nèi)

國內(nèi)對海洋裝備的研究和開發(fā)起步較晚，從20世紀70年代末才開始涉足ROV領(lǐng)域，且大都基于科考研究，與國外差距較大。國內(nèi)ROV的研究工作主要集中在哈爾濱工程大學、上海交通大學、中國科學院沈陽自動化研究所（簡稱“沈自所”）、中船重工第702研究所等高等院校和科研機構(gòu)[5]。

1985年12月，沈自所蔣新松團隊研制出的“海人一號”ROV樣機首航成功，并于次年完成海上試驗，開啟了我國水下機器人研制新征程。2003年，國家重大科技專項——“海龍?zhí)枴毕盗醒兄乒ぷ鏖_始啟動；2009年，“海龍2號”在東太平洋3 500 m深海域成功發(fā)現(xiàn)“黑煙囪”，這標志著我國ROV總體性能達到了世界領(lǐng)先水平，該專項的主要研制工作由上海交通大學水下工程研究所完成。

2015年5月8日，由上海交通大學牽頭研制的4 500 m作業(yè)級ROV“海馬號”（圖2）順利通過科技部驗收，在3個階段的海試中，“海馬號”先后下潛17次，最大下潛深度突破4 500 m，完成了近百項技術(shù)指標考核。

2018年10月26日，由沈自所牽頭研制的“海星6000”ROV（圖3）在多個海域完成科學考察任務(wù)，下潛深度首次突破6 000 m，創(chuàng)造了我國ROV最大下潛深度記錄，此次“海星6000”科學考察應(yīng)用任務(wù)圓滿完成，標志著我國深海作業(yè)級ROV平臺和應(yīng)用技術(shù)邁上了新臺階，為提升我國6 000 m級深海科學考察作業(yè)能力奠定了基礎(chǔ)。

圖2 “海馬號” ROVFig.2 Haima ROV

圖3 “海星6000”ROVFig.3 Haixing 6000 ROV

株洲中車時代電氣股份有限公司于2015年收購了英國SMD公司，并于2017年在上海臨港成立了上海中車艾森迪海洋裝備有限公司，開始進軍深海裝備領(lǐng)域。截至目前，已向南方電網(wǎng)交付一臺1 000 m作業(yè)級Atom型號ROV，用于瓊州海峽海底電纜檢測；向上海打撈局交付一臺6 000 m作業(yè)級Quasar型號ROV，用于深海領(lǐng)域的打撈和救援。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比分析

國內(nèi)外不同品牌深海作業(yè)級ROV主要性能參數(shù)如表1所示?？傮w來看，國內(nèi)ROV下潛深度可達到國際同等水平，具備ROV總體制造和集成能力；與國外的差距主要在于一些關(guān)鍵零部件不能實現(xiàn)自給，比如聲吶、機械手、浮體材料及臍帶纜等。

表1 不同廠家深海作業(yè)級ROV主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of deep-sea work class ROV of different manufacturers

2 深海作業(yè)級ROV系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

深海作業(yè)級ROV系統(tǒng)包括水上和水下2部分。水上部分由控制艙（包括高低壓配電柜、PLC控制系統(tǒng)、操控臺和視頻監(jiān)控顯示器）和布放回收系統(tǒng)（launch and recovery system, LARS）組成；水下部分由中繼器和ROV本體（包括浮力材料、本體框架、動力與推進系統(tǒng)、水下觀測系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、水下供電系統(tǒng)、水下傳感系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)和作業(yè)工具系統(tǒng)）組成，如圖4所示。

圖4 作業(yè)級ROV系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure of work-class ROV

2.1 布放回收系統(tǒng)

深海作業(yè)級ROV的布放回收系統(tǒng)包括臍帶纜、臍帶纜絞車、A型門吊、止蕩器和絞車控制臺。其中臍帶纜絞車用于存儲臍帶纜；臍帶纜通過A型門吊和止蕩器與ROV相連；絞車控制臺控制絞車滾筒旋轉(zhuǎn)，配合A型門吊向舷外或舷內(nèi)運動，實現(xiàn)ROV的布防和回收。

2.1.1 臍帶纜

臍帶纜（圖5）用于深海作業(yè)級ROV的電力傳送和信息通信，通常由數(shù)根電纜、光纖、聚合物保護套、填充物在成纜機上螺旋成形。根據(jù)作業(yè)海深和工況的不同，有時需對臍帶纜進行鎧裝，以提高其抗拉強度，防止其在惡劣工況下被拉斷。

圖5 臍帶纜Fig.5 Umbilical

臍帶纜在水下受到洋流等環(huán)境載荷的作用，加上自身重量因素，容易發(fā)生拉伸失效、彎曲失效等疲勞失效。因此在生產(chǎn)制造中，需根據(jù)臍帶纜作業(yè)環(huán)境進行仿真分析，確定其抗拉強度、屈服強度和彎曲性能等基本力學參數(shù)，為生產(chǎn)制造以及應(yīng)用提供理論依據(jù)。多單元多層次成纜技術(shù)和各單元形變控制技術(shù)是臍帶纜制造的技術(shù)難點[6]。

由于臍帶纜設(shè)計及制造技術(shù)復雜，國內(nèi)目前缺少相對成熟的分析軟件和測試系統(tǒng)，且只有為數(shù)不多的幾家廠商生產(chǎn)，而實現(xiàn)工程應(yīng)用的則更少。中天科技海纜有限公司承擔過兩項有關(guān)臍帶纜研究的國家“863計劃”項目，開創(chuàng)了我國臍帶纜制造領(lǐng)域的先河。歐美發(fā)達國家擁有完備的設(shè)計理論和分析方法，其中OceaneeringMulti fl ex公司、DUCO公司和Nexans公司生產(chǎn)的臍帶纜商業(yè)應(yīng)用十分廣泛。

2.1.2 臍帶纜絞車

臍帶纜絞車（圖6）用來存儲和釋放臍帶纜，從而實現(xiàn)ROV的布放及回收，其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電機驅(qū)動兩種方式。根據(jù)ROV作業(yè)深度的不同，絞車的儲纜量也不同，隨著ROV下潛深度增加，所需臍帶纜長度相應(yīng)增加，較長的臍帶纜對絞車整體結(jié)構(gòu)有較大的影響。受夾板空間限制，絞車長度方向尺寸不可能太大，只能通過增加卷纜層數(shù)來提高容纜量，而過多的層數(shù)不利于排纜的控制，且底層熱量不易散出；另外，絞車滾筒為承受更大的重量，其壁厚會相應(yīng)增加，壁厚增加又會導致絞車轉(zhuǎn)動慣量增加，繼而增加緊急制動的難度。因此，臍帶纜絞車合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證ROV作業(yè)深度的重要前提之一。

圖6 臍帶纜絞車Fig.6 Umbilical winch

船體在海浪沖擊下產(chǎn)生橫搖、縱搖和升沉起伏運動，會導致臍帶纜張力發(fā)生突變，過大的張力會拉斷臍帶纜，過小的張力又會導致ROV與船體碰撞，影響ROV的收放；另外，交變載荷會影響臍帶纜的疲勞強度，導致臍帶纜疲勞損壞。為保障ROV布放、回收的安全性以及作業(yè)的穩(wěn)定性，臍帶纜絞車需具備升沉補償功能，以保證臍帶纜處于恒張力狀態(tài)。

挪威Hydralift公司和美國Westech公司是世界知名恒張力絞車制造商，其控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、穩(wěn)定性高、操作界面友好，被廣泛應(yīng)用于海工領(lǐng)域。國內(nèi)，海工領(lǐng)域恒張力臍帶纜絞車的制造商較少，主要受限于控制精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。

2.1.3 A型門吊和止蕩器

止蕩器與A型門吊配合使用，用于吊放ROV。止蕩器具有強制縱橫角度調(diào)整和自由擺動功能，能防止復雜海況下ROV的劇烈晃動，避免ROV與船體或其他設(shè)備發(fā)生碰撞。

國外LARS系統(tǒng)技術(shù)成熟的廠家有挪威的MacGregor、荷蘭的Pommec、英國的Saab Seaeye等公司；國內(nèi)LARS系統(tǒng)尚處于研究階段，商業(yè)化應(yīng)用較少，且多用于淺海范圍，其材料、承載能力以及升沉補償性能等指標與國外LARS系統(tǒng)相比還有較大差距。

2.2 中繼器(TMS)

中繼器（系纜管理系統(tǒng)）通過臍帶纜與A型門吊、絞車相連，直接由主纜收放，它與ROV本體之間通過中性浮力系纜連接，可消除主纜和母船的升沉、縱傾、橫搖對ROV的直接影響，保證了ROV運動的平穩(wěn)性、靈活性和可控性，同時也能減小ROV推進器所需功率，充分發(fā)揮ROV動力推進系統(tǒng)效率。常見的中繼器有車庫式和頂置式兩種。車庫式中繼器主體結(jié)構(gòu)分為上下兩層，上層是排纜系統(tǒng)，下層用于存放中小型ROV。頂置式中繼器，顧名思義就是整個中繼器置于ROV上方，與車庫式中繼器相比，其排纜系統(tǒng)更加復雜，承載能力和儲纜能力更強，儲纜長度可達數(shù)千米，使得ROV作業(yè)半徑更大，通常被用于深海作業(yè)級ROV。

國外知名的TMS制造商有英國TechnipFMC公司、英國SMD公司和英國PerrySlingsby Systems公司，其技術(shù)優(yōu)勢均在于具備系纜張力檢測功能和過載保護功能，控制穩(wěn)定、精準，ROV釋放過程中系纜無扭轉(zhuǎn)和反向彎曲現(xiàn)象。其中TechnipFMC公司生產(chǎn)的TMS還可配置推進器，能實現(xiàn)TMS自轉(zhuǎn)，從而調(diào)整TMS工作角度，提高ROV回收的安全性和可靠性。

國內(nèi)，沈自所和上海交通大學對TMS也進行了相關(guān)研制，但沒有形成系列化產(chǎn)品，其功率密度、操控性以及穩(wěn)定性與國外同類產(chǎn)品相比還有一定差距。

2.3 ROV本體

2.3.1 浮力材料

浮力材料（圖7）可保證ROV在海水中是中性浮力。目前常用的浮力材料是玻璃微珠復合泡材料，其通過在微米級的空心玻璃微珠周圍灌注樹脂成型，特點是密度小、浮力大、吸水率低、抗壓強度高，具有良好的耐腐蝕性能，能夠進行機械加工[7]。

圖7 浮力材料Fig. 7 Buoyancy material

國外知名浮體材料制造商有瑞典Trelleborg公司、澳大利亞Matrix公司及英國Balmoral公司，他們的產(chǎn)品優(yōu)勢在于應(yīng)用水域更深，同等水深下的密度更低、耐壓強度更大；國內(nèi)浮體材料制造商有臺州中浮新材料科技股份有限公司、河南泛銳復合材料研究院有限公司等企業(yè)，其產(chǎn)品性能略低于國外品牌的，在深海作業(yè)級ROV上也沒有進行實際工程應(yīng)用。高性能空心玻璃微珠是浮體材料的核心原材料，但其一直以來受國外壟斷，國內(nèi)無法自給。為解決這一現(xiàn)狀，國內(nèi)中國科學院理化技術(shù)研究所承擔了“高性能空心玻璃微珠產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”的研發(fā)工作，并于2013年實現(xiàn)了深海浮力材料核心技術(shù)突破，但其離商業(yè)化應(yīng)用還有一定差距。

2.3.2 動力與推進系統(tǒng)（推進器）

ROV動力與推進系統(tǒng)（圖8）有液壓驅(qū)動和電力驅(qū)動兩種方式，液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有強非線性、強耦合性，難以實現(xiàn)精確控制；但其功率質(zhì)量比大，在相同功率下重量和體積均比電力驅(qū)動的小，可滿足大功率需求。電力驅(qū)動推進系統(tǒng)的控制性能較好，其獨立的供電和操作系統(tǒng)提高了設(shè)備的可靠性冗余度，水下機動性及可靠性更好，無須液壓油，對環(huán)境更友好；但其推力體積比小，很難在大功率作業(yè)級ROV上得到廣泛應(yīng)用。

圖8 推進器Fig.8 Thruster

國外知名推進器廠商有美國Sub-Atlantic公司，其水下液壓推進器有4種型號，適用水深為全海深，推力范圍為370～850 kgf(1 kgf=9.8 N)；直流無刷電動推進器也有4種型號，其推力較液壓推進器的小，推力范圍為26～220 kgf。英國SMD公司水下液壓推進器型號更多（共有9種）、推力更大（推力范圍為200～1450 kgf）。國內(nèi)水下推進器廠家較少，天津昊野科技有限公司是一家從事電動推進器的廠商，其型號眾多（共有28種），推力范圍為1.4～236 kgf。國內(nèi)推進器應(yīng)向更深水深和更大推力方向發(fā)展；同時優(yōu)化水下推進器控制方法，如將模糊控制、自適應(yīng)控制、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等多種控制理論相結(jié)合，開發(fā)控制精度高、魯棒性好的控制方法，使得水下推進器控制更加穩(wěn)定和智能[8-9]。

2.3.3 水下觀測系統(tǒng)

水下觀測系統(tǒng)包括聲吶、水下燈及高清攝像機。由于自然光無法到達深海，水下黑暗環(huán)境對水下燈和高清攝像機提出較高要求：水下燈應(yīng)具備較高的亮度和免維護壽命特點，發(fā)光通量亮度通常大于10 000 lm，免維護壽命大于5 000 h；高清攝像機應(yīng)具有較高的分辨率，最低光照強度優(yōu)于0.01 Lux。聲吶用來對水下地貌和ROV周邊環(huán)境成像，并對海底地形地貌進行勘測，防止ROV與水下障礙物碰撞。

國外知名聲吶品牌有英國Tritech、加拿大Imagenex、美國Blue View、挪威Kongsberg等，他們的圖像聲吶、側(cè)掃聲吶、避碰聲吶被廣泛應(yīng)用于ROV上；國內(nèi)哈爾濱工程大學、中國科學院聲學研究所在聲吶領(lǐng)域研究較多，但在深海作業(yè)級ROV上沒有應(yīng)用。國內(nèi)聲吶研究方向還應(yīng)聚焦在高精度、高分辨率、超寬覆蓋以及小型化和輕量化等方面[10-12]。

2.3.4 導航定位系統(tǒng)

導航定位系統(tǒng)由超短基線定位系統(tǒng)、慣性導航系統(tǒng)、深度傳感器、羅盤（艏向、傾角傳感器）和高度計組成。超短基線定位系統(tǒng)由安裝在母船上的發(fā)射換能器、接收基陣和固定在ROV上的應(yīng)答器組成。發(fā)射換能器向應(yīng)答器發(fā)出脈沖，應(yīng)答器收到信號后發(fā)出反射脈沖；接收基陣收到脈沖信號后，測量出脈沖在X、Y兩個方向的相位差，計算出ROV和基陣兩者間的距離L，從而推算出ROV水下位置和深度。陀螺儀和加速度傳感器是慣性導航系統(tǒng)的主要組成部分，慣性導航系統(tǒng)根據(jù)陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)建立導航坐標系，并根據(jù)加速度傳感器輸出數(shù)據(jù)解算出ROV在導航坐標系中的速度和位置。羅盤用來測量ROV的艏向和傾角；深度傳感器用來測量ROV距水面的距離；高度計用來測量ROV距水底的距離。

2.3.5 電子艙

水下耐壓電子艙（圖9）是ROV的核心部件，其為其他部件提供電力和數(shù)據(jù)通信，并與控制集裝箱內(nèi)控制臺保持實時的信號傳輸。為防止因海水壓力和腐蝕而發(fā)生破壞，電子艙必須保證足夠的耐壓密封性能和耐腐蝕性，并盡可能地減小體積并減輕重量。

圖9 電子艙Fig.9 Pod

2.3.6 補償器

深海作業(yè)級ROV下潛深度越大，所承受的海水壓力就越大。較大的水壓易導致閥箱、燈控箱等箱體被壓壞，因此需對其進行壓力補償來平衡外界海水壓力。ROV下潛時，海水壓力將補償器（圖10）里的液壓油推向ROV液壓系統(tǒng)內(nèi)部，使系統(tǒng)的回油壓力與外界海水壓力達到平衡；且隨ROV下潛深度的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的回油壓力，實現(xiàn)不同海水深度下的壓力補償[13]。水下液壓系統(tǒng)得到壓力補償之后，系統(tǒng)壓力建立在海水壓力的基礎(chǔ)上，其工作狀態(tài)與岸上常規(guī)液壓系統(tǒng)相同，這樣水下液壓系統(tǒng)便可按照常規(guī)液壓系統(tǒng)的方法來設(shè)計，而不必考慮海水壓力的影響。

圖10 補償器Fig.10 Compensator

2.3.7 作業(yè)工具

深海作業(yè)級ROV根據(jù)作業(yè)任務(wù)的不同，可選配不同的作業(yè)工具，如多功能機械手、取樣器、液壓剪、切割鋸、割纜器、扭力工具、轉(zhuǎn)矩適配器及液壓角磨機等等。機械手是深海作業(yè)級ROV的重要作業(yè)工具，通常在ROV左右舷分別配置1個七自由度和1個五自由度機械手，用于水下抓取作業(yè)。美國Schilling Robotics System公司和Kraft TeleRobotics公司是知名的水下機械手廠商；國內(nèi)，沈自所研制的水下機械手在“海星6000”號ROV和“深海勇士號”載人潛水器上得到成功應(yīng)用。由于ROV水下工具接口的有限性以及布局空間的局限性，其水下作業(yè)不可能搭載所有作業(yè)工具，可根據(jù)不同作業(yè)需求進行選配，因此，深海作業(yè)級ROV水下工具接口的通用性也是重要的研究方向之一。

3 我國深海作業(yè)級ROV的發(fā)展建議

當今，發(fā)展水下機器人人工智能技術(shù)將是我國水下機器人產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)快速發(fā)展的有效途徑之一，涉及全自動智能布放與回收技術(shù)、水下自主巡航技術(shù)、智能避障及多機器人群體化技術(shù)等，這些技術(shù)關(guān)系到系統(tǒng)動力傳輸、通信、導航定位及目標識別等功能的發(fā)展。

（1）全海深、長距離動力傳輸

現(xiàn)有深海作業(yè)級ROV的電力是通過臍帶纜從母船上獲得。一方面，其傳輸距離長、風險等級高、能源效率不高，且長距離臍帶纜還會帶來更大的制造成本；另一方面，現(xiàn)有的電池供電技術(shù)無法滿足長時間的續(xù)航要求，ROV推進系統(tǒng)功率和運行速度也會受到限制，因此研究深水大功率變流器應(yīng)用技術(shù)、水下電器基礎(chǔ)部件集成技術(shù)，開發(fā)高效率、高密度能源，進一步發(fā)展海底充電樁為移動式水下機器人提供能源，將是海底高效能源動力供應(yīng)的發(fā)展方向。在保證ROV動力能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸合適的前提下，優(yōu)化推進系統(tǒng)，以確保深海作業(yè)級ROV能夠達到設(shè)計速度要求并滿足多自由度機動要求。

（2）通信技術(shù)

多機器人群體化作業(yè)需要高穩(wěn)定性、大帶寬、高通信速率的水下通信技術(shù)來支撐。目前水下機器人通信手段有電磁波、聲波和光波3種方式。電磁波在海水中衰減嚴重，并且衰減程度隨頻率的增加而增加，因此用于水下通信的電磁波頻率通常為3～30 kHz的甚低頻和30～3 000 Hz的超低頻，而低頻的電磁波無法滿足大容量通信的需求，限制了其在水下通信的應(yīng)用。水下聲學通信是目前最為成熟的水下通信技術(shù)，具有傳輸距離遠的優(yōu)點；但其通信帶寬有限、傳輸方向性較差、多徑效應(yīng)明顯，這也限制了水聲通信在水下機器人領(lǐng)域的應(yīng)用。光波具有較高的頻率和通信帶寬，目前世界各國正積極開發(fā)水下激光通信。由于海水介質(zhì)對藍綠激光的吸收率最低，激光信號可以通過衛(wèi)星實現(xiàn)大范圍通信，目前美國已經(jīng)實現(xiàn)了對水下100 m左右深度的潛艇進行通信；但由于當前的藍綠激光發(fā)射器體積及能耗較大、效率低、水下通信距離有限，將該技術(shù)應(yīng)用到深海作業(yè)級ROV上還需進一步研究。每種水下通信技術(shù)都有著各自的優(yōu)缺點，采用多種通信方式相結(jié)合的方式，開發(fā)大帶寬、高速率、遠距離的新型水下通信技術(shù)是實現(xiàn)水下機器人集群化的重要前提。

（3）多種方式相結(jié)合的導航定位技術(shù)

高精度導航定位技術(shù)是決定ROV能否在水下安全作業(yè)以及順利返回的關(guān)鍵因素，但深海環(huán)境缺少明顯的固定標志參考物，采用單一的導航定位無法獲得ROV相對準確的位置信息。慣性導航系統(tǒng)的導航信息是經(jīng)過積分計算得到的，其精度較低，存在定位漂移，需不斷進行修正；超短基線的聲學換能器基陣方位系統(tǒng)不能保證與載體方位系統(tǒng)完全重合，存在系統(tǒng)安裝誤差。因此，水下導航定位需采用多種導航定位相結(jié)合的方式，如將超短基線定位系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)相結(jié)合；同時開發(fā)適于水下應(yīng)用的非傳統(tǒng)導航方式，如：地形輪廓跟隨導航、重力磁力匹配導航、海底地形匹配導航和其他地球物理學導航技術(shù)，而這些技術(shù)基于地球本身物理特性，具有自主性強和不受時間、地域影響的特點，需要提前進行數(shù)據(jù)采集和建立數(shù)據(jù)庫[14]。深海作業(yè)級ROV水下導航定位技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⑹?，結(jié)合傳統(tǒng)方式和非傳統(tǒng)方式的各自優(yōu)勢，發(fā)展可靠性高、集成度高并具有綜合補償和校正功能的智能導航系統(tǒng)。

（4）水下目標的探測與識別技術(shù)

目前水下目標探測與識別有聲學探測和光學探測兩種方式。聲學探測主要通過各種聲吶（單波束聲吶、多波束聲吶、合成孔徑聲吶）完成，聲吶發(fā)射超聲波并接收物體反射回來的聲波，通過聲波強度對目標進行聲學成像。聲學探測方法探測距離遠，但成像精度不高，得到的圖像不夠直觀。光學探測利用光學成像設(shè)備對水下目標進行照相，成像分辨率高、圖像清晰度較好；但光在水中會衰減，探測距離有限，并且成像質(zhì)量很大程度上取決于海水能見度。近幾年，激光成像技術(shù)得到發(fā)展，其成像質(zhì)量高、工作距離遠，并且能夠提供水下目標距離和坐標信息，是較理想的水下目標探測與識別手段，但目前該技術(shù)在國內(nèi)還處于研發(fā)階段，還不能達到工程應(yīng)用的要求。

（5）標準化和模塊化設(shè)計

目前深海作業(yè)級ROV各子系統(tǒng)定制化程度明顯，不具備通用性和互換性，為優(yōu)化深海作業(yè)級ROV作業(yè)性能，提高其使用的方便性和通用性，及其與現(xiàn)有鄰近系統(tǒng)的協(xié)作能力，水下機器人標準化和模塊化設(shè)計是未來的發(fā)展方向之一。標準化的最終目的是實現(xiàn)模塊化。標準化可從機械、液壓、電氣、軟件等方面著手，提出標準接口和數(shù)據(jù)格式的概念，在設(shè)計和制造過程中分模塊進行總體布局和優(yōu)化設(shè)計。

（6）可靠性設(shè)計

深海作業(yè)級ROV系統(tǒng)水下作業(yè)環(huán)境極其復雜，存在較多不確定性因素，一旦出現(xiàn)故障，短時間內(nèi)難以修復，不僅會降低作業(yè)效率，甚至面臨丟失的風險，帶來巨大損失。因此，可靠性設(shè)計是保證深海作業(yè)級ROV安全作業(yè)和順利回收的重要手段，其不僅包括機械結(jié)構(gòu)、水下耐壓密封等硬件方面，同時也涉及控制系統(tǒng)方面，如故障檢測、容錯控制等。故障檢測與容錯控制在航天系統(tǒng)和核電系統(tǒng)有著成功的應(yīng)用，但在深海作業(yè)級ROV領(lǐng)域未見報道。因此，基于解析模型、信號處理的故障檢測方法和異步信息融合技術(shù)、導航傳感器短時失效處理技術(shù)、容錯濾波技術(shù)仍是深海作業(yè)級ROV研究方向之一。

4 結(jié)語

深海作業(yè)級ROV是人類探索海洋、開發(fā)海洋的重要載體，安全、穩(wěn)定、高效、可靠的作業(yè)性能始終是深海作業(yè)級ROV的研究方向。國外深海作業(yè)級ROV起步較早且應(yīng)用較廣；我國雖已解決了一批ROV相關(guān)技術(shù)難題，具有一定的技術(shù)基礎(chǔ)積累，但在深海通信、導航定位等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域與國外還有相當大的差距。目前，我國尚未在深海作業(yè)級ROV領(lǐng)域形成一套從研發(fā)、生產(chǎn)到服務(wù)的完整社會分工體系，更沒有一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈，缺乏產(chǎn)業(yè)發(fā)展推動力，工程化和實用化進程緩慢。若要在深海領(lǐng)域進行自主探索開發(fā)，避免受制于人，必須解決諸多關(guān)鍵技術(shù)難題，如玻璃微珠原材料問題，臍帶纜成纜技術(shù)和形變控制技術(shù)；LARS系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性問題及其向輕量化、智能化方向發(fā)展問題；傳統(tǒng)水下通信和導航定位技術(shù)的局限性問題；水下激光成像技術(shù)壁壘等。另外，為降低ROV深海作業(yè)的風險、提高操作人員的熟練度以及緊急情況下的應(yīng)急處理，自主開發(fā)ROV水下作業(yè)模擬系統(tǒng)也是十分有意義的。