基于巡管應(yīng)用的水下機(jī)器人研究

王升浩 張 焱 黃大權(quán) 牛國(guó)瑜 崔新忠＊

（大連海洋大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)全球各個(gè)地區(qū)，已經(jīng)鋪設(shè)了幾十萬(wàn)千米的水下油氣管道。隨著科技的不斷發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，海底石油、天然氣和電力管道和通信電纜網(wǎng)絡(luò)還會(huì)不斷地增加，為了保證這些海下運(yùn)輸紐帶能夠安全正常地進(jìn)行工作，需要對(duì)這些管網(wǎng)進(jìn)行定期的檢測(cè)和維護(hù)。因此，利用水下機(jī)器人對(duì)水下設(shè)備管道進(jìn)行巡檢維護(hù)已經(jīng)成為一種共識(shí)。

自20世紀(jì)末，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始了針對(duì)水下管道檢測(cè)和跟蹤的實(shí)驗(yàn)研究工作。他們?cè)谥悄芩聶C(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了海底管道的辨識(shí)及利用管道進(jìn)行導(dǎo)航的試驗(yàn)研究。我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始相關(guān)的研究工作。目前，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下已經(jīng)對(duì)水中管道進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和跟蹤的試驗(yàn)研究[1]。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等科研院所在實(shí)驗(yàn)室條件下，可以實(shí)現(xiàn)管道的自動(dòng)識(shí)別、跟蹤和檢測(cè)。

1 水下巡管機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1.1.1 推進(jìn)器

推進(jìn)器系統(tǒng)對(duì)于水下機(jī)器人特別重要，目前水槳作為推進(jìn)器，少量系統(tǒng)采用滑翔式或噴水推進(jìn)。螺旋槳的類型有固定、可變傾斜、對(duì)轉(zhuǎn)等[2]。

1.1.2 照明設(shè)備

在水下拍攝時(shí)應(yīng)該選擇波長(zhǎng)較短的光源。但同時(shí)也要考慮到海水不是純凈水，里面存在很多渾濁物，其透明度不好，導(dǎo)致光在海水中散射現(xiàn)象很嚴(yán)重，而散射現(xiàn)象會(huì)隨著照明強(qiáng)度增大而增大，此時(shí)就應(yīng)該考慮波長(zhǎng)適中的光源。只有綜合考慮水下的各種情況和狀態(tài)，才能充分選擇出合適的光源，得到最優(yōu)的照明效果。

圖1 固定螺旋槳

圖2 可變傾斜螺旋槳

圖3 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳

現(xiàn)今水下照明的光源多采用碘化鉈燈、LED燈、氙燈等。我們通常使用的白熾燈在水下拍攝的能見(jiàn)度較差，其原因在于白熾燈的輻射光主要集中在紅色區(qū)域，在水下會(huì)表現(xiàn)出衰減大、效率低等問(wèn)題。LED燈的效率基本與碘化鉈輻射光的效率相同，其輻射光也在藍(lán)與綠的區(qū)域內(nèi)，較容易通過(guò)水，因此，在水下環(huán)境得到廣泛的使用。

1.1.3 能源系統(tǒng)

能源是限制水下無(wú)人航行器作業(yè)的主要因素之一，通常限定航行器的任務(wù)參數(shù)，如續(xù)航能力、速度、工作深度和任務(wù)載荷。水下機(jī)器人能源系統(tǒng)采用蓄電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池和熱氣機(jī)等，使用以保證航行器具備安全航行和作業(yè)任務(wù)所需的獨(dú)立能源。由于尺寸和安全的需求，蓄電池是水下機(jī)器人采用的主要能源方式。

1.1.4 通信系統(tǒng)

水下無(wú)線通信技術(shù)主要可以分成三大類:水下電磁波通信、水下量子通信和水聲通信，它們具有不同的特性及應(yīng)用場(chǎng)合，如表1所示。

無(wú)法跨越水與空氣界面?zhèn)鞑?，受溫度、鹽度等參數(shù)影響。

1.2 流速傳感器

圖4 紅外傳感器

采用四個(gè)流速傳感器組合，測(cè)量水中的流速矢量，提高機(jī)器人水中運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖5 流速傳感器

用多個(gè)紅外傳感器與視覺(jué)識(shí)別相結(jié)合減少來(lái)自水下光線不佳產(chǎn)生的干擾，通過(guò)對(duì)傳感器所構(gòu)成的巡管模塊的程序編寫直接對(duì)水底管道進(jìn)行巡管。目前市面上的流速儀有很多種，有傳統(tǒng)的旋槳式的流速儀，也有聲學(xué)的流速儀。

2 水下環(huán)境感知技術(shù)

2.1 水下環(huán)境感知技術(shù)

水下環(huán)境感知技術(shù)是指智能水下機(jī)器人通過(guò)搭載的光學(xué)和聲學(xué)傳感器對(duì)未知區(qū)域進(jìn)行環(huán)境識(shí)別，由于水下環(huán)境自身的特殊性，使得智能水下機(jī)器人在環(huán)境感知方面的研究進(jìn)展較慢。水下環(huán)境感知技術(shù)主要分為聲吶目標(biāo)探測(cè)技術(shù)和光學(xué)目標(biāo)探測(cè)技術(shù)，其中常見(jiàn)的技術(shù)是聲吶目標(biāo)探測(cè)技術(shù)[3]。

表1 水下通信技術(shù)

聲吶目標(biāo)探測(cè)技術(shù):主要指利用聲吶原理和聲吶系統(tǒng)設(shè)備對(duì)水中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)。按照聲吶的原理我們可以將其分為聲吶目標(biāo)主動(dòng)探測(cè)技術(shù)和聲吶目標(biāo)被動(dòng)探測(cè)技術(shù)。

有目的地主動(dòng)從系統(tǒng)中發(fā)射聲波的稱為主動(dòng)聲吶，利用接收換能器基陣接收目標(biāo)自身發(fā)出的噪聲或信號(hào)來(lái)探測(cè)目標(biāo)的聲吶稱為被動(dòng)聲吶。

目前，安裝在ROV機(jī)器人本體上的探測(cè)聲吶主要使用的是前視聲吶、側(cè)掃聲吶、剖面聲吶、多普勒聲吶和聲相關(guān)聲吶、通信聲吶等[3]。

2.2 載體模塊化設(shè)計(jì)

由載體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和任務(wù)載荷等模塊組成。先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)應(yīng)用在智能水下機(jī)器人，主要體現(xiàn)在載體的模塊化方面。目前，大多數(shù)智能水下機(jī)器人都是載體外形一體化，在外形設(shè)計(jì)上主要考慮外形的水動(dòng)力性能，而內(nèi)部設(shè)備則是進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

同時(shí)，為滿足水下密封和承壓的使用要求，他們通常使用耐壓艙結(jié)構(gòu)，耐壓艙結(jié)構(gòu)多為球殼結(jié)構(gòu)和圓柱殼結(jié)構(gòu)。

利用水下機(jī)器人進(jìn)行水下管道的檢測(cè)最重要的是要對(duì)其進(jìn)行可控式的移動(dòng)，所以應(yīng)首先確定水下機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模塊，根據(jù)動(dòng)力來(lái)源可以將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分成兩大類：主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式機(jī)器人就是具有自主移動(dòng)能力的機(jī)器人，而被動(dòng)式的機(jī)器人不具備自主移動(dòng)的能力，本項(xiàng)目所研究的水下巡管機(jī)器人是在針對(duì)水下管道的外面作業(yè)，因此，驅(qū)動(dòng)模塊部分的設(shè)計(jì)應(yīng)選主動(dòng)式系統(tǒng)去設(shè)計(jì)。

對(duì)于機(jī)器人運(yùn)行而言，通信模塊是機(jī)器與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息交流的媒介，選用通信模塊的主要依據(jù)就是通信快、距離遠(yuǎn)、信息傳遞準(zhǔn)確。目前，比較流行的通信方式有Wifi、藍(lán)牙、通信光纖、無(wú)線網(wǎng)、ZigBee和NFC等，它們都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[3]。考慮到水下機(jī)器人傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸速度快其必須滿足通信訊號(hào)穩(wěn)定的要求，我們選擇通信光纖方式。機(jī)器上所配置的通信模塊體積小，便于安裝，能嵌入到大多數(shù)的產(chǎn)品中去，支持多種模式，也支持AT指令，有利于編程。

除上述構(gòu)成水下機(jī)器人必不可少的系統(tǒng)模塊外，實(shí)現(xiàn)以水下機(jī)器人為載體去實(shí)現(xiàn)水下巡管功能，必須搭載多個(gè)傳感器所構(gòu)成的傳感器功能模塊。機(jī)器人在水下通過(guò)各類傳感器來(lái)獲取外界信息，如攝像頭獲取圖片信息，將信息通過(guò)連接通信模塊實(shí)時(shí)傳輸以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)視覺(jué)結(jié)合的功能；壓力傳感器可以獲取外界的壓力信息，感知水下液體對(duì)自身的壓力變化來(lái)做出對(duì)應(yīng)的調(diào)整。選擇何種傳感器要根據(jù)機(jī)器人在水下工作所要實(shí)現(xiàn)的功能來(lái)決定，攝像頭必不可少。

由于水下探測(cè)會(huì)遇到水下光線昏暗，可見(jiàn)度不高，再加上水的液體特性，傳統(tǒng)的陸地巡管手段并不能全部適應(yīng)于水下環(huán)境等問(wèn)題，我們?cè)诨谒聶C(jī)器人現(xiàn)有的功能上，設(shè)計(jì)增添四個(gè)紅外傳感器與視覺(jué)識(shí)別相結(jié)合的創(chuàng)新方法以減少來(lái)自水下光線不佳產(chǎn)生的干擾。同時(shí)依托于紅外傳感器使用的紅外線探測(cè)技術(shù)，我們可以更加精確地找到管道在水下的布局與構(gòu)造。

3 水下機(jī)器人在巡管中的應(yīng)用

水下管道大部分采用無(wú)縫鋼管焊接和使用法蘭等連接裝置連接成長(zhǎng)距離管道，并使用閥門進(jìn)行開(kāi)閉控制和流量調(diào)節(jié)。ROV因具有實(shí)時(shí)響應(yīng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、可減少潛水員下水危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，逐漸凸顯出其優(yōu)秀的水下工作潛力[2]。水下機(jī)器人依靠自身所搭載的傳感器以及可操作性，可以在水下管道檢測(cè)方面發(fā)揮巨大作用。

基于水下機(jī)器人現(xiàn)有的功能，為了能讓其實(shí)現(xiàn)水下巡管所增加的巡管模塊去實(shí)體海域進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明我們所創(chuàng)新設(shè)計(jì)的巡管模塊安裝后可以充分地完成對(duì)淺海海域的水下管道的檢測(cè)并且可以實(shí)時(shí)輸送清晰的圖像反饋給上位機(jī)。而我們所設(shè)計(jì)的由四個(gè)流速傳感器所構(gòu)成的移動(dòng)優(yōu)化功能，相較于之前未安裝的設(shè)備，在消除外界水流影響方面有著一定程度的改善，使得水下管道的檢測(cè)更加高效。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分行業(yè)針對(duì)日常剛需的巡檢工作中諸多問(wèn)題一直不能很好地解決，如危險(xiǎn)環(huán)境、人員安全、緊急處理、成本消耗等，針對(duì)這種情況，水下巡檢機(jī)器人的角色就顯得尤為必要。本次所設(shè)計(jì)水下巡管機(jī)器人，經(jīng)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了一定程度上的管道巡檢功能，為今后打造全方位無(wú)盲點(diǎn)智能化和自動(dòng)化程度高的水下機(jī)器人來(lái)替換人力巡檢驗(yàn)證了其可行性。