水下機(jī)器人亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

世界海洋總面積約為3.6×108平方千米，占地球總面積的70.8%，在廣闊的海洋中，蘊(yùn)含著非常豐富的生物資源、礦物資源和海洋能源。其中最具經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的是海底的石油和天然氣資源，海洋石油資源儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的1/3。海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始迅猛發(fā)展，我國(guó)海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)利用也在快速發(fā)展。隨著陸上油田資源逐漸枯竭，產(chǎn)量逐年下降，海洋油氣產(chǎn)量在全國(guó)油氣產(chǎn)量中的比重越來(lái)越高。在海洋油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，使用水下機(jī)器人可以提高工作效率，水下機(jī)器人可以潛深到潛水員到達(dá)不了的水深，克服潛水員在深水工作遇到的困難等等。人們研制的性能多樣結(jié)構(gòu)各異的載人潛水器，是在潛水球和潛艇技術(shù)微型化基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。

一、常規(guī)水下機(jī)器人介紹

ROV（RemoteOperated Vehicle）全稱遙控水下機(jī)器人，也稱為遙控式水下無(wú)人潛航器，屬于水下無(wú)人潛航器（UUV）的一種，主要用于水中觀察、檢查和水下施工。另一類型的水下無(wú)人潛航器被稱作AUV，全稱自主式水下機(jī)器人，也稱為自主式水下無(wú)人潛航器，其研制始于20世紀(jì)50年代，其特點(diǎn)是無(wú)需攜帶纜繩，行動(dòng)更靈活。

起初，水下機(jī)器人的發(fā)展是出于軍事等方面的需求，由美國(guó)、俄羅斯、日本、法國(guó)等國(guó)率先研制，因水下機(jī)器人的研制離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)、聲納技術(shù)、水下微光電視、遙控技術(shù)、定位導(dǎo)航等技術(shù)的發(fā)展。后來(lái)，海洋石油工業(yè)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了工業(yè)型ROV的發(fā)展，北海油田和墨西哥灣油田在1975年使用了第一臺(tái)商業(yè)化ROV，至1981年，ROV數(shù)量猛增到400多臺(tái)，現(xiàn)如今各種類型、各種功能的ROV數(shù)量已數(shù)不勝數(shù)。本文主要討論的是商業(yè)型或稱為工業(yè)型的水下機(jī)器人。

⒈.水下機(jī)器人分類

工業(yè)用水下機(jī)器人功能多種多樣，所完成的水下作業(yè)也極富多樣性，按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的水下機(jī)器人一般分為：

(1)按用途分為觀察型、觀測(cè)型和作業(yè)用水下機(jī)器人。作業(yè)用水下機(jī)器人一般安裝有機(jī)械手，用于海中救援、打撈、電纜敷設(shè)、海洋石油及其他生產(chǎn)系統(tǒng)的操作維修等水下作業(yè)。觀測(cè)型水下機(jī)器人與作業(yè)用水下機(jī)器人基本相同，但它主要用于測(cè)定所要調(diào)查對(duì)象的參數(shù)。觀察型水下機(jī)器人一般只具備影像觀察功能，利用照相機(jī)、攝像機(jī)、聲納等觀測(cè)海底地形、地貌或搜尋水下沉物。

(2)按水下機(jī)器人與施工母船之間有無(wú)電纜可分為有纜水下機(jī)器人（即ROV）和無(wú)纜水下機(jī)器人（即AUV）。有纜水下機(jī)器人與施工母船之間通過(guò)電纜相連，由母船向水下機(jī)器人提供動(dòng)力和實(shí)施遙控；無(wú)纜水下機(jī)器人與母船間無(wú)電纜連接，AUV自帶動(dòng)力，依靠自身的動(dòng)力航行。

(3)按運(yùn)動(dòng)方式可分為浮游式、履帶式和步行式水下機(jī)器人。浮游式水下機(jī)器人在水中漂浮，一般呈零浮力（或稍有一點(diǎn)正浮力）狀態(tài)，依靠所裝的推進(jìn)器在水下做三維空間運(yùn)動(dòng)。履帶式水下機(jī)器人多用于海床施工，例如挖溝機(jī)、挖溝犁等。

⒉.水下機(jī)器人的主要功能

水下機(jī)器人本身僅是一種運(yùn)載工具，如欲進(jìn)行水下作業(yè)，則必須攜帶水下作業(yè)工具?？梢哉f(shuō)，水下作業(yè)系統(tǒng)是水下機(jī)器人工作系統(tǒng)的核心，根據(jù)作業(yè)目的的不同，可以選擇攜帶不同的水下作業(yè)系統(tǒng)?？梢詳y帶水下作業(yè)系統(tǒng)的功能特性，使水下機(jī)器人擴(kuò)大了適用范圍，增強(qiáng)了實(shí)用性?，F(xiàn)有水下機(jī)器人的作業(yè)系統(tǒng)通常包括1～2個(gè)多功能遙控機(jī)械手和各種水下作業(yè)工具包。主要功能有：海底觀察海底地形、地貌、作業(yè)狀態(tài)等；測(cè)定相關(guān)參數(shù)；水下作業(yè)中螺栓的拆裝及閥門(mén)的開(kāi)閉；水下施工中所用纜繩的系結(jié)與切割；水下救助和打撈；水下設(shè)施打磨和切割；水下構(gòu)件或船體表面的清潔；水下鉆孔、焊接。

⒊.水下機(jī)器人的主要組成

水下機(jī)器人一般由潛水器本體、水下觀察設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、導(dǎo)航定位設(shè)備（深度傳感器、羅經(jīng)、航速儀等）、機(jī)械臂、臍帶纜、控制臺(tái)、下放裝置等組成。領(lǐng)航員在施工母船上通過(guò)控制臺(tái)對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，完成特定的水下作業(yè)。ROV與控制臺(tái)之間一般通過(guò)臍帶纜將電力、液壓、視頻和數(shù)據(jù)及控制信號(hào)等相連，AUV同樣有控制臺(tái)，但沒(méi)有臍帶纜。

二、水下機(jī)器人在海洋石油工程中的應(yīng)用

海洋石油工程中使用的ROV在外形、結(jié)構(gòu)、功能等方面大致與常規(guī)ROV是一致的，只是機(jī)械臂或所攜帶的工具更具石油工程的特點(diǎn)。海洋石油工程應(yīng)用的ROV大多裝備4～8個(gè)液壓推進(jìn)器，根據(jù)作業(yè)目標(biāo)選用具備相關(guān)功能的機(jī)械手，通常為一到兩只，功能一般為視頻攝像、抓握物體、剪切纜繩/鋼絲繩、打開(kāi)/關(guān)閉閥門(mén)、拆卸螺栓/法蘭/卡環(huán)、水下焊接、水下火焰切割等。此外，還裝備以下設(shè)備：定位系統(tǒng)、電羅經(jīng)、測(cè)深傳感器、左右舷懸臂攝像頭、轉(zhuǎn)動(dòng)/傾斜攝像頭、掃描聲納等。

海洋石油工程中使用的ROV，根據(jù)觀察和作業(yè)能力可分為三類。第一類為純觀察型，只能完成水下純粹的觀察、錄像作業(yè)，不攜帶任何水下作業(yè)工具和設(shè)備，一般用在海管著泥點(diǎn)監(jiān)測(cè)、導(dǎo)管架下水觀測(cè)、海床平面調(diào)查等作業(yè)中；第二類為作業(yè)型，通過(guò)安裝不同作業(yè)功能的機(jī)械手，完成水下較為復(fù)雜的工作，此類型ROV是海洋石油工程中使用頻率最高的；第三類為爬行類，主要指挖溝機(jī)和挖溝犁等，用于海底管道、海纜的挖溝埋設(shè)作業(yè)。

⒈.ROV在導(dǎo)管架安裝中的作用

⑴地貌調(diào)查。導(dǎo)管架安裝前，利用ROV對(duì)導(dǎo)管架安裝區(qū)域的海底地貌進(jìn)行地貌檢查，確認(rèn)是否存在自然坑、樁腿坑、海底異物等情況，如存在海底泥面不平的情況，需要根據(jù)情況做進(jìn)一步填平處理。

⑵導(dǎo)管架扶正過(guò)程中的支持。導(dǎo)管架下水后，必須將導(dǎo)管架的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)平、扶正，利用ROV測(cè)量導(dǎo)管架防沉板與海床面的距離、角度、接觸情況等，施工人員根據(jù)以上信息控制導(dǎo)管架下放。根據(jù)導(dǎo)管架的不同設(shè)計(jì)情況，有時(shí)還需要ROV在水下打開(kāi)部分閥門(mén)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管架下水后的姿態(tài)調(diào)平。

⑶導(dǎo)管架定位。ROV行進(jìn)到導(dǎo)管架立管口或其他標(biāo)記處，標(biāo)記深度、艏向、坐標(biāo)等信息。

⑷引導(dǎo)插樁。利用ROV協(xié)助觀察，確保導(dǎo)管架鋼樁順利插入喇叭口，有時(shí)需要引導(dǎo)鋼樁下放至喇叭口插樁，并引導(dǎo)吊樁器泄壓回收。

⑸監(jiān)控打樁。在打樁作業(yè)時(shí)，必須使用ROV引導(dǎo)打樁錘套樁，在套樁成功后，還要監(jiān)測(cè)打樁情況，例如鋼樁角度，入泥情況，設(shè)備工作狀態(tài)等。

⑹灌漿作業(yè)。鋼樁打到位后，鋼樁與導(dǎo)管架樁腿之間的空隙要進(jìn)行灌漿固定。使用ROV監(jiān)控氮?dú)狻⒌逑礃赌_內(nèi)壁與樁外壁夾縫過(guò)程，并對(duì)該過(guò)程進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，將信息反饋給灌漿操作方。根據(jù)導(dǎo)管架的不同設(shè)計(jì)，有的導(dǎo)管架還需要ROV打開(kāi)或關(guān)閉部分閥門(mén)以完成灌漿作業(yè)。

⑺輔助安裝。在以上施工中，通過(guò)使用ROV剪切一些輔助安裝的纜繩/鋼絲繩、浮球浮筒等設(shè)施，拆卸/安裝卡環(huán)等。

⑻導(dǎo)管架安裝后調(diào)查。導(dǎo)管架安裝作業(yè)完成以上全部施工過(guò)程后，還要使用ROV做進(jìn)一步的系統(tǒng)檢查，檢查灌漿后樁腳底部與海床面的接觸情況、導(dǎo)管架各閥門(mén)開(kāi)關(guān)狀態(tài)是否正確、導(dǎo)管架上各設(shè)備是否完好等，并保留相關(guān)視頻影像，得到最終的導(dǎo)管架安裝后調(diào)查報(bào)告，至此，導(dǎo)管架整個(gè)安裝作業(yè)才算完成。

⒉.ROV在海底管線鋪設(shè)中的作用

(1)ROV攜帶水下測(cè)量設(shè)備完成海底管線的位置、損傷、埋深、異物等工作。

⑵剪切一些輔助安裝的纜繩/鋼絲繩，如起始纜，剪切輔助安裝的浮球浮筒等設(shè)施，拆卸安裝卡環(huán)。

⑶水下觀測(cè)工作：對(duì)管線的損傷情況、著泥點(diǎn)監(jiān)控、廢物堆積、管線懸跨、犧牲陽(yáng)極以及管線的支撐、膨脹彎、注水裝置和軟管連接裝置等進(jìn)行巡航觀測(cè)。

⑷電位測(cè)量：測(cè)量每根管線的陰極保護(hù)電位。

⑸管線懸跨測(cè)量：使用聲納測(cè)量管線懸跨長(zhǎng)度。

⑹水下攝像：對(duì)整條海管的狀態(tài)做錄像保存，特別是缺陷、異常和管線的重要部位等的記錄。

⑺水下作業(yè)：深海海管鋪設(shè)中的膨脹彎安裝過(guò)程，需要使用ROV完成法蘭、螺栓等的拆裝。

三、水下機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

⒈.新式AUV是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

有纜水下機(jī)器人雖然通過(guò)電纜可以更好地實(shí)現(xiàn)供能和遙控，但限制了水下機(jī)器人的靈活性、活動(dòng)范圍以及作業(yè)種類，隨著作業(yè)水深的增加，電纜長(zhǎng)度及電纜阻力將增大，導(dǎo)致水下機(jī)器人的動(dòng)力消耗增加，作業(yè)空間受到限制。由于水對(duì)電磁波的干擾，長(zhǎng)久以來(lái)無(wú)纜遙控面臨著難題，如何除去ROV攜帶的電纜長(zhǎng)期困擾著科學(xué)家們。

隨著科技的進(jìn)步特別是硬件技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，新式AUV應(yīng)運(yùn)而生，它實(shí)現(xiàn)了無(wú)纜化，自帶供能模塊，活動(dòng)范圍大大提高，且能依靠自身的自動(dòng)化控制能力來(lái)完成所賦予的工作，具有機(jī)動(dòng)性好、智能化、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中發(fā)揮的作用越來(lái)越大。

⒉.水下機(jī)器人尚待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

水下機(jī)器人是高技術(shù)的集成，雖然水下機(jī)器人本體的各種材料及相關(guān)技術(shù)已基本成熟，但隨著水下機(jī)器人向大范圍、大深度、長(zhǎng)續(xù)航、多功能的發(fā)展，一些關(guān)鍵技術(shù)還需研究解決，例如：

⑴水下通訊問(wèn)題。有纜水下機(jī)器人可以用電纜很好地實(shí)現(xiàn)信息傳輸，但電纜又限制了水下機(jī)器人的功能。無(wú)纜水下機(jī)器人的操控信號(hào)目前是以水聲通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存在傳輸延時(shí)現(xiàn)象，因聲音在水中的傳播速度遠(yuǎn)低于光速，從而導(dǎo)致難以對(duì)水下機(jī)器人實(shí)時(shí)控制。而且傳輸距離又受載波頻率和發(fā)射功率的限制，目前通訊距離僅10千米左右。另外，聲通訊還容易受到多徑效應(yīng)造成的干擾，雖然可采用窄波速，但也存在波束對(duì)準(zhǔn)和跟蹤等問(wèn)題。美國(guó)利用藍(lán)綠激光實(shí)現(xiàn)了空中對(duì)水下100m深處潛艇的通訊，激光通訊的研發(fā)為水中大范圍通訊開(kāi)辟了一條新路，但目前藍(lán)綠激光器的體積過(guò)大，效率低，能耗大，尚不能用于無(wú)纜水下機(jī)器人。

⑵能源問(wèn)題。有纜水下機(jī)器人一般不存在能源問(wèn)題，但如果在深海作業(yè)，隨著電纜的增長(zhǎng)，傳輸損耗也會(huì)增大。雖然可提高電壓和加大頻率，但會(huì)產(chǎn)生絕緣和安全問(wèn)題。而對(duì)于無(wú)纜水下機(jī)器人，自帶供能模塊所存儲(chǔ)的能源量是限制其作業(yè)范圍的主要因素，可以考慮燃料電池，但目前在水下機(jī)器人中尚未得到應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。

⑶控制問(wèn)題。有纜水下機(jī)器人的控制比較簡(jiǎn)單，可由操作人員通過(guò)操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制。但水下機(jī)器人在水中的運(yùn)動(dòng)有六個(gè)自由度，它本身是一個(gè)強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)，加上局部水流方向、流速都是無(wú)規(guī)則變化的，動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的剛度很難滿足定點(diǎn)作業(yè)的要求，這有待進(jìn)一步研究。無(wú)纜水下機(jī)器人由于信息傳輸問(wèn)題而難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，往往要求實(shí)現(xiàn)自治式控制或智能控制。但由于控制對(duì)象為6自由度，交叉耦合、非線性、時(shí)變性都非常嚴(yán)重，因此其控制技術(shù)十分復(fù)雜，要進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)。