水下常駐機(jī)器人基站及導(dǎo)航對(duì)接技術(shù)綜述

倪正峰，冀大雄，田逸寧，沈 勤，胡臻臻，王 斌

(1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306；2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316000；3.上海遨拓深水裝備技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,上海 201306；4.舟山遨拓海洋工程技術(shù)有限公司，浙江 舟山 316000)

隨著陸上油氣資源逐漸匱乏，勘探和開(kāi)采海洋油氣資源日益成為能源補(bǔ)充的重要手段。2010年以來(lái)，我國(guó)新增石油產(chǎn)量中超過(guò)80%來(lái)自海洋，且其中的一半開(kāi)采自深度大于500 m的深海[1]。隨著海洋勘探開(kāi)采技術(shù)的迅猛發(fā)展，水下機(jī)器人在石油開(kāi)采設(shè)施的安裝、維護(hù)、檢修等方面的應(yīng)用日益廣泛，但也存在如下不足：有纜遙控水下機(jī)器人(Remotely operated vehicle，ROV)使用母船拖纜下放方式，當(dāng)母船發(fā)生大幅度升沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)造成ROV設(shè)備的損壞和臍帶電纜的斷裂[2]；無(wú)纜自主水下機(jī)器人(Autonomous underwater vehicle，AUV)因受能量限制需多次回收到水面平臺(tái)進(jìn)行充能和數(shù)據(jù)交換，而布放與回收AUV需要耗費(fèi)大量的時(shí)間[3]。

新型水下常駐機(jī)器人可有效解決這些問(wèn)題。新型水下常駐機(jī)器人系統(tǒng)由水下機(jī)器人和水下基站組成，水下機(jī)器人在完成周期性作業(yè)后，通過(guò)導(dǎo)航返回基站進(jìn)行探測(cè)數(shù)據(jù)的上傳與作業(yè)指令的更新；同時(shí)基站為機(jī)器人補(bǔ)充能源并提供保護(hù)場(chǎng)所，提升了機(jī)器人作業(yè)的連續(xù)性、隱蔽性和安全性。

1 海底基站

1.1 桿、繩式基站

桿、繩式基站主要由基座、導(dǎo)航應(yīng)答器和桿或合成繩等組成。美國(guó)Woods Hole研究所研制的REMUS 600水下機(jī)器人的捕獲系統(tǒng)LCLR[4]，通過(guò)一根合成繩連接基座與頂部的聲波應(yīng)答器，如圖1所示。機(jī)器人頭部為V字形導(dǎo)引架，根部采用彈性閂鎖，可直接撞入繩索固定。

圖1 REMUS 600對(duì)接系統(tǒng) Fig.1 Docking system of REMUS 600

Northeastern大學(xué)的Singh等[5]于2014年研制的Odyssey IIB型水下機(jī)器人，撞入豎桿鎖定后，基站上部可移動(dòng)固定架下壓，使機(jī)器人上的感應(yīng)磁芯與基站對(duì)接進(jìn)行電力傳輸，再通過(guò)聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)二者通信(圖2)。

圖2 Odyssey IIB對(duì)接過(guò)程 Fig.2 Docking process of Odyssey IIB

1.2 漏斗式基站

AUV為外殼光滑的魚(yú)雷形，這類(lèi)機(jī)器人的基站也可采用入口為內(nèi)徑逐漸變小的漏斗狀、內(nèi)部為等內(nèi)徑的腔體。機(jī)器人只要進(jìn)入基站導(dǎo)引罩的范圍，繼續(xù)前進(jìn)便可以順應(yīng)其收縮趨勢(shì)進(jìn)入基站內(nèi)。這種對(duì)接方式所需定位精度較低，可以大大增加對(duì)接成功率。

Woods Hole海洋研究所為遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)水下機(jī)器人REMUS設(shè)計(jì)的對(duì)接系統(tǒng)[6-8]，采用剛性系泊方法，通過(guò)一個(gè)基于DSP的超短基線導(dǎo)航系統(tǒng)確定漏斗狀基站的位置和朝向(基站外部導(dǎo)引罩直徑1 m，內(nèi)部直徑25 cm)，對(duì)接成功率達(dá)91%。機(jī)器人進(jìn)入基站后，基站內(nèi)的對(duì)接觸頭插入機(jī)器人觸點(diǎn)進(jìn)行充電及數(shù)據(jù)交換。該研究所于2012年研制了第二代產(chǎn)品REMUS 100，機(jī)器人頭部增加了彈簧爪等機(jī)構(gòu)來(lái)鎖定自身位置。

2018年，西班牙赫羅納大學(xué)的Palomeras等[9]為Sparus II AUV制作了一種水下對(duì)接站，如圖3所示。圖3中機(jī)器人配置2個(gè)水平推進(jìn)器、1個(gè)垂直推進(jìn)器，對(duì)接時(shí)機(jī)器人傾角可達(dá)30°；對(duì)接站包括對(duì)接艙和底座兩部分，導(dǎo)引罩由14根彎曲的耐腐蝕鋁管組成。機(jī)器人進(jìn)入基站后，對(duì)接艙內(nèi)兩個(gè)爪形鎖扣抓住機(jī)器人頂部的天線，防止機(jī)器人在海流沖擊下滑出。

圖3 Sparus II AUV 對(duì)接系統(tǒng)水下試驗(yàn) Fig.3 Underwater test of Sparus II AUV docking system

1.3 籠式基站

籠式對(duì)接基站通常應(yīng)用于ROV，傳統(tǒng)的帶纜水下機(jī)器人分為水面部分和水下部分，兩部分通過(guò)臍帶纜連接，而母船則為整個(gè)系統(tǒng)提供能源和控制信號(hào)[10]?，F(xiàn)在的籠式水下基站將臍帶纜絞車(chē)布置在水下，機(jī)器人的作業(yè)與回收均在海底進(jìn)行。

西班牙海洋科學(xué)研究所為Rossia 3000型海底爬行器研制的ARIM基站[11]，將臍帶纜絞車(chē)布置在爬行機(jī)器人底部，與機(jī)器人的履帶相連接。機(jī)器人前進(jìn)時(shí)可同步放出電纜，機(jī)器人返回時(shí)，絞車(chē)啟動(dòng)回收電纜?；静捎闷巾斀鹱炙谓Y(jié)構(gòu)框架，配有160 kWh的能量燃料電池，設(shè)有爬行器進(jìn)出后可自動(dòng)折疊的坡道，保護(hù)基站內(nèi)設(shè)備安全。

Oceaneering公司研制的深海常駐機(jī)器人系統(tǒng)Liberty E-ROV[12]，配有籠式電池包、電纜管理系統(tǒng)和通信浮標(biāo)，如圖4所示。系統(tǒng)將電纜絞車(chē)安裝在基站內(nèi)，基站兩側(cè)各有6個(gè)電池艙，可提供500 kWh的電力，機(jī)器人可連續(xù)作業(yè)2～3個(gè)月。

圖4 Liberty E-ROV深海常駐機(jī)器人系統(tǒng)Fig.4 Liberty E-ROV deep-sea resident robotic system

愛(ài)爾蘭Limerick大學(xué)與智能系統(tǒng)中心聯(lián)合研制的étaín水下常駐機(jī)器人系統(tǒng)(圖5)[13]，由一個(gè)控制盒、發(fā)射回收艙、纜繩管理系統(tǒng)和ROV本體組成。基站鋁框上安裝4個(gè)不對(duì)稱燈標(biāo)，ROV和基站之間的相對(duì)位置通過(guò)ROV上的攝像機(jī)和這些燈標(biāo)確定。

圖5 étaín ROV-TMS水下常駐機(jī)器人 Fig.5 Underwater resident robot of étaín ROV-TMS

總的來(lái)說(shuō)，籠式水下基站可將機(jī)器人完整地包容，避免機(jī)器人設(shè)備受海水沖擊；電纜絞車(chē)安裝在水下也大大減少了臍帶纜長(zhǎng)度；另外，機(jī)器人通過(guò)電纜與基站對(duì)接，可在機(jī)器人作業(yè)時(shí)供電和傳輸數(shù)據(jù)?；\式基站缺點(diǎn)是推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)的ROV運(yùn)動(dòng)控制困難，受水流影響較大，進(jìn)入基站時(shí)易發(fā)生碰撞。

1.4 平臺(tái)式基站

最早的平臺(tái)基站是日本川崎重工Fukasawa等[14]研制的MARINE BIRD系統(tǒng)，目前Bluelogic公司的研究成果較為突出，其生產(chǎn)的Equinor水下平臺(tái)基站[15]，是世界上首批通用、開(kāi)放式海底無(wú)人機(jī)對(duì)接平臺(tái)，適用范圍廣，可對(duì)接任意形狀、大小、類(lèi)型的水下機(jī)器人。機(jī)器人可通過(guò)繪制海床3D地圖定位基站位置。

2 導(dǎo)航對(duì)接技術(shù)

對(duì)接導(dǎo)航系統(tǒng)包括安裝在基站和機(jī)器人上的導(dǎo)航傳感器和通信系統(tǒng)。對(duì)接過(guò)程中二者進(jìn)行周期性通信，使機(jī)器人能夠確定其相對(duì)于基站的位置和姿態(tài)，并及時(shí)作出調(diào)整。目前水下基站常用的定位導(dǎo)航方式有聲學(xué)、光學(xué)和電磁學(xué)3種[16]，其性能比較如表1所示。

表1 3種導(dǎo)航方式性能比較Table 1 Performance comparison of three navigation modes

2.1 聲學(xué)導(dǎo)航

聲學(xué)導(dǎo)航對(duì)接是通過(guò)機(jī)器人與基站間水介質(zhì)傳播聲波信號(hào)，如McEwen等[17]研制的MBARI水下機(jī)器人采用的超短基線(USBL)聲學(xué)系統(tǒng)(圖6)。系統(tǒng)通過(guò)聲波信號(hào)(最大接發(fā)頻率1 Hz)往返基站與機(jī)器人的時(shí)間確定兩者距離，根據(jù)聲波到達(dá)機(jī)器人每個(gè)接收器的時(shí)間、方向的微小差異確定機(jī)器人與基站的相對(duì)方位角和傾斜角。通常機(jī)器人到達(dá)基站100 m范圍內(nèi)即進(jìn)入預(yù)定的對(duì)接路徑，且前進(jìn)過(guò)程中每1～3 s發(fā)射一次聲信號(hào)，據(jù)此調(diào)整前進(jìn)方向。

圖6 MBARI頭部的USBL系統(tǒng)Fig.6 The USBL system at the head of the MBARI

2.2 光學(xué)導(dǎo)航

光學(xué)對(duì)接系統(tǒng)由基站上的信號(hào)燈和機(jī)器人上的視覺(jué)系統(tǒng)組成。2015年Li等[18]在水下基站入口周?chē)贾?個(gè)綠色LED燈，在機(jī)器人頭部安裝2個(gè)攝像頭。系統(tǒng)采用PID控制算法，根據(jù)攝像機(jī)內(nèi)圖像標(biāo)記點(diǎn)數(shù)量在單目和雙目組合定位方法之間的切換，生成相對(duì)俯仰角和姿態(tài)角。該系統(tǒng)對(duì)接成功率大于80%。

與聲學(xué)系統(tǒng)相比，光學(xué)系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的定位范圍相當(dāng)有限，因?yàn)楣庠慈菀资芎Ｋ疁啙岫鹊挠绊懓l(fā)生散射；但光學(xué)對(duì)接系統(tǒng)所用攝像頭體積小、設(shè)備輕，與聲吶設(shè)備相比，在水下機(jī)器人緊湊的內(nèi)部空間中安裝具有更大優(yōu)勢(shì)。

2.3 電磁學(xué)導(dǎo)航

不同于聲學(xué)與光學(xué)系統(tǒng)，電磁導(dǎo)航系統(tǒng)由基站上的電磁線圈和機(jī)器人上的傳感線圈組成，可適用于任意海水環(huán)境。2001年麻省理工為Odyssey水下航行器研制的電磁導(dǎo)航系統(tǒng)[19]，基站內(nèi)2個(gè)24匝、直徑64 cm的線圈可產(chǎn)生正交磁偶極子場(chǎng)。其中水平偶極場(chǎng)為2 kHz，用于方向控制；垂直偶極場(chǎng)為1 kHz，用于同步。系統(tǒng)利用三級(jí)自動(dòng)增益控制電路獲得機(jī)器人水平磁場(chǎng)分量相對(duì)于軸向的角度，確定機(jī)器人為對(duì)齊基地磁場(chǎng)所要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,其自導(dǎo)系統(tǒng)示意圖如圖7所示。

圖7 電磁自導(dǎo)系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of electromagnetic homing system

3 總結(jié)

本文對(duì)水下常駐機(jī)器人的基站類(lèi)型、自主對(duì)接方式和導(dǎo)航定位方法進(jìn)行了全面的技術(shù)綜述，并分析了各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)。由于水下常駐機(jī)器人在石油開(kāi)采、深海設(shè)施維護(hù)以及軍事領(lǐng)域的巨大優(yōu)勢(shì)，對(duì)接精度更高、連續(xù)作業(yè)時(shí)間更長(zhǎng)的通用型系統(tǒng)將是水下常駐機(jī)器人的未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)，也是后續(xù)研究的方向。