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水下机器人(ROV),你知道多少?

水下机器人(ROV),你知道多少?

发布日期:2019-12-19 来源: 点击:24

水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统,通过遥控或自主操作方式使用机械手或其它工具,代替或辅助人去完成某些水下作业的装置。

水下机器人为服务类机器人,具有60多年的发展历程。水下机器人的研究方向以无人化为主,使其可在高危险、被污染以及零可见度的水域环境下工作,配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置,可以完成实时视频传输、声呐图像绘制,抓起重物等各种专业操作。目前,水下机器人已经在海洋探索、渔业养殖、水下检测维修、搜救、消费娱乐、军事、教育等领域广泛应用。
水下机器人起始于军事领域,1953年至1974年水下机器人开始被研制和开发。美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹,引发了世界各国的关注。伴随着各国军事项目的推进,自1953年第一艘无人遥控水下机器人问世,到1974年的20年里,全世界共研制了20艘无人遥控水下机器人。

早期的水下机器人要应用于海洋石油开采业务,1975至1985年,由于海洋油气业的迅速发展,水下机器人飞速发展进入一个全新的发展时期。到1981年,无人遥控水下机器人市场保有量400余艘,其中90%以上用来直接或间接为海洋石油开采业服务。海洋石油和天然气开发的需要,推动了水下机器人理论和应用的研究,水下机器人的数量和种类显著增长。

按照无人潜水器与水面支持设备(母船或平台)间联系方式的不同,水下机器人可以分为两大类:一类是有缆水下机器人,习惯上把它称为水下遥控运载体(Remotely Operated Vehicle)简称ROV,ROV通过电缆由母船向其提供动力,人在母船上通过电缆对ROV进行遥控;另一类是无缆水下机器人,习惯上把它称为水下自主式无人运载体(Autonomous Underwater Vehicle)简称AUV,AUV自带能源,依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋予的使命。

ROV的分类

ROV数量众多,设计各不相同,功能及复杂度千差万别,这些都给ROV的准确分类造成一定困难。英国Douglas Westwood根据业界实践,将ROV分为7种类型,分别为微型ROV(Miniature ROVs, MROVs)、可视型ROV(Eyeball ROVs, EROVs)、观察型ROV(Inspection ROVs, IROVs)、拖拽型ROV(Remotely Operated Towed Vehicles, ROTVs)、作业型ROV(Work-Class ROVs, WROVs)、履带型ROV(Tracked ROVs, TROVs)、挖掘型ROV(Ploughs)。


⒈微型ROV(MROV)
微型ROV从销售数量上看是ROV工业里增长最快的一个细分领域。它们通常是全电力的系统,用于开放水域或封闭水域(如液舱)的检查和监测等。MROV能在各种环境中使用,如清洁水、受污染水、冷水、海水等。MROV的工作水深一般小于100米,但如果搭载在其他大型潜水设备上使用,理论上可到达任何深度。部分MROV配备图像声呐,使其能用在能见度低的环境中。此外,MROV也可以配备其他设备如小型机械手等。


⒉可视型ROV(EROV)
可视型ROV通常是全电力的系统,用于执行检查任务,有时也用于支持潜水员的潜水活动。EROV在潜水员下潜之前先行检查危险水域,或为其提供照明和图像记录。EROV因其较低的成本广泛应用于科学研究领域。EROV虽然没有作业级ROV那样的动力和载重,但也可作为各种传感器、工具设备、机械手等的平台。大部分EROV工作水深在300米以内,随着技术的进步其工作水深及功能在不断提高。


⒊观察型ROV(IROV)
观察型ROV通常用于水下结构和硬件的检查、测量、打捞、收集物理和图像样本等。IROV可以配备与WROV相似的机械手,但该机械手并非固定搭配,而是能被随时拆除,这使得IROV拥有很大的灵活性,在执行不同任务时选用不同的设备。早期IROV使用液压推进方式,目前则越来越多地使用电力推进。大部分IROV的工作水深在1000米以内。IROV因兼顾功能和成本,广泛用于海洋可再生能源领域。
⒋拖拽型ROV(ROTV)
拖拽型ROV由水面船艇拖拽,是水下传感器的平台,通过其表面的控制单位控制ROTV的水平和垂直位置,使其能精确执行测量等任务。ROTV拥有较大的尺寸,且通过拖缆能提供足够的电力和数据传输速度,因此ROTV能比AUV等搭载更多的测量设备和传感器。ROTV测量具有很高的稳定性,能获得精确的经纬度、高度等位置信息。ROTV的直线测量方式可用于海底线缆及管道检查,以及军事上探测鱼雷等。与WROV相比,ROTV的测量速度较快,但不能像WROV那样执行更深入细致的工作。使用ROTV的船艇一般也同时配备IROV,用以监视ROTV在执行任务时是否存在异常。


⒌作业型ROV(WROV)
作业型ROV主要用于油气开发行业,包括钻井支持、施工支持和检查修理维护等细分领域。作业型ROV通常配备有2只机械手,可直接进行抓、推、拉等,也可以使用其他工具。作业型ROV通过电缆获得动力和控制信息,既能进行监测和探查,也是各种水下工具的平台。一些制造商根据WROV执行任务的不同将WROV分为重型和超重型,也有的制造商将WROV归类为调查型,因为它能搭载大量传感器并具有很高的数据传输速度。WROV通常配置在配备ROV收放系统(Launch and Recovery System, LARS)的专用船舶上。WROV的工作水深在1000米以上,通常在3000~4500米之间,这也是大部分商业作业的范围,部分WROV可根据任务的不同到达更深的水域。


⒍履带型ROV(TROV)
履带型ROV主要用于海底采矿及电缆/管道的安装、埋藏等,因主要在海底作业,因此TROV采用履带更便于活动。目前大量TROV被用于海洋可再生能源项目的线缆安装,或者对海上风力发电机安装位置进行水文特征测量。部分TROV被长期置于水底进行海洋观测。


⒎挖掘型ROV(Plough)
挖掘型ROV是尺寸最大的ROV,用于易受鱼群干扰或破坏的水域的海底管线埋藏等。Plough由大型船舶驱动,带有大量工具、设备和系统,造价及使用成本均十分高昂。
以上分类方法或许过于复杂,ROV还有一种较为简单的分类方法,即只把ROV分为观察级和作业级。观察级ROV针对水下特定目标进行定期观察和检查,如水下基础设施、渔业、船体、以及科学研究项目等。其核心部件是水下推进器和水下摄像系统,有时辅以导航、深度传感器等常规传感器,本体尺寸和重量较小(通常小于15kg),负荷较低,成本较低,工作水深一般在1500米之内。

作业级ROV用于水下打捞、水下施工等应用,带有水下机械手、液压切割器等作业工具,还配备前视声纳、侧扫声纳、海底绘图、海底剖面等设备,尺寸和重量较大,造价高,工作水深可达6000米。

ROV的应用

ROV广泛应用于军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。世界上的海洋大国如美国、俄罗斯、日本、英国和法国等都开发了多种型号的ROV系统,用于不同的使命任务和不同的工作深度。

民用方面,R0V在海洋救助与打捞、海洋石油开采、水下工程施工、海洋科学研究、海底矿藏勘探、远洋作业等方面发挥着非常重要的作用。目前世界上的ROV主要集中于石油和天然气工业以及离岸与近岸工程中。归纳起来,ROV在民用上主要有几个方面的应用:


石油和天然气
石油和天然气的勘探开发是ROV使用最为广泛的领域,包括钻井支持、施工支持、检查修理维护等。其中钻井支持中包括对海床进行监视、协助控制基盘位置、对防喷器进行监视和清理等。施工支持包括水下处理和分离设备的安装、水下采油井修理、管线安装等。检查修理维护包括对油罐内部或封闭区域进行检测、设备无损检验、更换损坏的零部件等。

2.
海洋可再生能源
ROV在海洋可再生能源领域的应用主要是设备安装和布线以及检查修理维护。在设备安装和布线方面,ROV可以协助进行电缆安装和埋藏,以及安装波浪和潮汐发电设备等。在检查修理维护方面,ROV可以对海上风力发电机可能安装的位置进行水文特征测量等。


海洋测量
水下测量包括地形测量、线路测量(管道和线缆)、水文测量等。地形测量主要对海床的深度、地形、结构和水下障碍物等进行测量。线路测量主要是为确保安装管道的安全性和降低安装成本,使管道避开障碍区、深海潮汐区、军事应用区等水域。水文测量并非用于安装或施工,而是了解海洋水动力情况,为使海洋航行更加安全。

电力/通信
ROV在电力/通信领域的应用主要是对通信缆/电缆进行安装和埋藏,以及定期或不定期对电缆进行检查、修理、维护等。在通信缆/电缆安装和埋藏过程中,ROV系统和埋缆系统被放置在铺缆船上,可随时进行作业以缩短项目时间。在检查修理维护中,由于通信缆/电缆容易损坏,而损坏时需要将其从海底捞出,因此使用ROV进行线缆的探测和打捞。


核设施
ROV可以用于核设施的检查、修理、维护,并在核设施报废时执行拆除工作。在放射性较高的区域,ROV的电子设备需要采取保护措施。通常使用能在地面或墙壁爬行的ROV来对核设施进行检查和拆除,而泄露到海中的放射性物质也需要使用ROV来确认并移除。

海底资源
海洋某些区域蕴藏着丰富的能源、金属、矿产等资源,如太平洋西部和印度洋沿岸国家就拥有丰富的海底资源,因此海底资源的勘探开发也成为ROV应用的主要领域之一。通常观察级ROV可用于海底资源探测,而作业级ROV可用于海底资源开发。


科学研究
ROV在研究方面的应用可分为与科学相关的应用和与技术相关的应用。科学相关方面的应用包括考古、水产/渔业、环境监测、收集海洋样本、深海热液调查、湍流研究等。技术相关的应用包括ROV智能系统、任务优化、避碰规则应用,以及自动进行机械手作业、数据处理和样本采集等。


安全检测
在安全领域,ROV可用于在港口开展船体检测、内河和海岸巡逻、搜救等。船体检测是海洋安全检测的重要组成部分,主要是通过公开或隐蔽的方式检查船舶是否携带毒品、走私品、爆炸品等非法物品。内河和海岸巡逻是为发现或阻止恐怖分子、海盗等袭击海上重要目标。搜救主要应用在发生海上事故的时候。

主要国家或地区ROV发展情况

分国家来看,日本、欧洲、美国、中国等国家在发展ROV上各有特色,主要国家发展情况如下:


⒈日本
1987年,日本海洋科技中心研究成功深海无人遥控潜水器“海豚3K”号,可下潜3300米。研制“海豚3K”号的目的,是为了进行在载人潜水之前对预定潜水点进行调查等深海研究,同时,也可利用“海豚3K”号进行海底救护。“海豚3K”号在前后、上下、左右三个方向各配置两套动力装置,基本能满足深海采集样品的需要。1988年,该技术中心配合“深海6500”号载人潜水器进行深海调查作业的需要,建造了万米级无人遥控潜水器“海沟号”。“海沟号”潜水器由工作母船进行控制操作,可以较长时间进行深海调查。日本对于无人有缆潜水器的研制比较重视,不仅有近期的研究项目,而且还有较大型的长远计划。目前,日本正在实施一项包括开发先进无人遥控潜水器的大型规划。这种无人有缆潜水器系统在遥控作业、声学影像、水下遥测全向推力器、海水传动系统、陶瓷应用技术、水下航行定位和控制等方面都要有新的开拓与突破。这项工作的直接目标是有效地服务于200米以内水深的油气开采业,完全取代目前由潜水人员去完成的危险水下作业。


⒉欧洲
英国科学家研制的“小贾森”有缆潜水器有其独特的技术特点,它采用计算机控制,并通过光纤沟通潜水器与母船之间的联系。母船上装有4台专用计算机,分别用于处理海底照相机获得的资料、处理监控海洋环境变化的资料、处理海面环境变化的资料和处理由潜水器传输回来的其他有关技术资料等。母船将所有获得的资料经过整理,发送到加利福尼亚太平洋格罗夫研究所的实验室,并贮存在资料库里。

在无人有缆潜水技术方面,根据欧洲尤里卡计划(EURECA),英国、意大利将联合研制无人遥控潜水器。这种潜水器性能优良,能在6000米水深持续工作250小时,比现在正在使用的只能在水下4000米深度连续工作只有l2小时的潜水器性能优良得多。按照尤里卡EU-191计划,还将建造两艘无人遥控潜水器:一艘为有缆式潜水器,主要用于水下检查维修;另一艘为无人无缆潜水器,主要用于水下测量。这项潜水工程计划将由英国、意大利、丹麦等国家的l7个机构参与完成。


⒊美国
美国是世界上最早开始研究水下机器人的国家,早在五十年代就开始着手研究。虽然其拥有量相对于日本、欧洲等无绝对优势,但由于它在水下机器人研究方面由来已久并且一直十分重视,因此在水下机器人技术应用和研发上一直处于世界领先地位。世界上第一个真正意义上的ROV——CURV就是美国研制成功的。目前,美国已经开发了多种型号的ROV系统,用于不同的使命任务和不同的工作深度。例如,美国的MAX Rover是世界上最先进的全电力驱动工作级ROV,潜深达3000米。美国加州制造的Scorpic ROV安装有水下电视、声纳、5自由度机械手、四只均衡控制的高速液压推进器,每只提供113kg推力、配备自动导航和定位设备等。


⒋中国
我国对于水下机器人的研究与开发起步较晚,相比于欧美国家和日本,我国一直处于落后水平。与世界其他国家一样,我国的水下机器人研究也是从立足军事需求起步的,从“六五”开始对军用水下机器人进行探索性研究,加上国内其他科研机构、大专院校的同期研制工作,到目前军用水下机器人已经服役并正在形成系列。

近年来我国的水下机器人研究飞速发展,能够制造大中小型ROV,在ROV的研制与开发方面也基本能够满足国内需求,在国际上占有一席之地。特别是6000米深水机器人的问世,表明我国在此领域已经取得一定成绩。但是由于在探测技术、工艺水平、综合显控、综合导航与定位等技术上存在的差距较大,致使国产水下机器人的实际应用受到限制,目前国内在不同领域的应用客户许多是购买或租借国外现有产品,不仅价格高、配套服务难,而且有些产品并不适合中国海区的使用特点,机动性、抗流能力及作业能力都显不足。因此,随着我国海洋开发事业的蓬勃发展及综合国力的提高,面对不断增长的市场需求,开发研制适合我国使用需求的水下机器人显得十分必要和紧迫。

水下机器人的发展前景

水下机器人的技术相对稳定,供应链和量产能力是关键。受技术水平制约的电源系统、水下通信系统,短时间难以实现颠覆式创新和突破性进步;在设计与制造、推进与控制、导航与定位方面,有相对成熟的技术方案,各厂家的产品同质化,成本控制和供应链能力是竞争的关键所在;从实验室环境到大规模量产是对厂商设计、制造、工艺的巨大考验,量产能力是在市场立足的前提。水下机器人(特别是工业级产品)的差异化优势,在于具体应用情景的环境感知和作业能力;水下通信技术(光通信、水声通信)、水下导航定位技术(超短基线定位)、自主路径规划与避障是当前技术研究的热点方向。