水下机器人亟待解决的关键技术问题

世界海洋总面积约为3.6×108平方千米，占地球总面积的70.8%，在广阔的海洋中，蕴含着非常丰富的生物资源、矿物资源和海洋能源。其中最具经济开采价值的是海底的石油和天然气资源，海洋石油资源储量占世界总储量的1/3。海洋油气资源的开发从上世纪90年代开始迅猛发展，我国海洋油气资源的开发利用也在快速发展。随着陆上油田资源逐渐枯竭，产量逐年下降，海洋油气产量在全国油气产量中的比重越来越高。在海洋油气开发过程中，使用水下机器人可以提高工作效率，水下机器人可以潜深到潜水员到达不了的水深，克服潜水员在深水工作遇到的困难等等。人们研制的性能多样结构各异的载人潜水器，是在潜水球和潜艇技术微型化基础上发展起来的。

一、常规水下机器人介绍

ROV（RemoteOperated Vehicle）全称遥控水下机器人，也称为遥控式水下无人潜航器，属于水下无人潜航器（UUV）的一种，主要用于水中观察、检查和水下施工。另一类型的水下无人潜航器被称作AUV，全称自主式水下机器人，也称为自主式水下无人潜航器，其研制始于20世纪50年代，其特点是无需携带缆绳，行动更灵活。

起初，水下机器人的发展是出于军事等方面的需求，由美国、俄罗斯、日本、法国等国率先研制，因水下机器人的研制离不开计算机技术、声纳技术、水下微光电视、遥控技术、定位导航等技术的发展。后来，海洋石油工业的迅速发展带动了工业型ROV的发展，北海油田和墨西哥湾油田在1975年使用了第一台商业化ROV，至1981年，ROV数量猛增到400多台，现如今各种类型、各种功能的ROV数量已数不胜数。本文主要讨论的是商业型或称为工业型的水下机器人。

⒈.水下机器人分类

工业用水下机器人功能多种多样，所完成的水下作业也极富多样性，按照不同的分类标准，现有的水下机器人一般分为：

(1)按用途分为观察型、观测型和作业用水下机器人。作业用水下机器人一般安装有机械手，用于海中救援、打捞、电缆敷设、海洋石油及其他生产系统的操作维修等水下作业。观测型水下机器人与作业用水下机器人基本相同，但它主要用于测定所要调查对象的参数。观察型水下机器人一般只具备影像观察功能，利用照相机、摄像机、声纳等观测海底地形、地貌或搜寻水下沉物。

(2)按水下机器人与施工母船之间有无电缆可分为有缆水下机器人（即ROV）和无缆水下机器人（即AUV）。有缆水下机器人与施工母船之间通过电缆相连，由母船向水下机器人提供动力和实施遥控；无缆水下机器人与母船间无电缆连接，AUV自带动力，依靠自身的动力航行。

(3)按运动方式可分为浮游式、履带式和步行式水下机器人。浮游式水下机器人在水中漂浮，一般呈零浮力（或稍有一点正浮力）状态，依靠所装的推进器在水下做三维空间运动。履带式水下机器人多用于海床施工，例如挖沟机、挖沟犁等。

⒉.水下机器人的主要功能

水下机器人本身仅是一种运载工具，如欲进行水下作业，则必须携带水下作业工具。可以说，水下作业系统是水下机器人工作系统的核心，根据作业目的的不同，可以选择携带不同的水下作业系统。可以携带水下作业系统的功能特性，使水下机器人扩大了适用范围，增强了实用性。现有水下机器人的作业系统通常包括1～2个多功能遥控机械手和各种水下作业工具包。主要功能有：海底观察海底地形、地貌、作业状态等；测定相关参数；水下作业中螺栓的拆装及阀门的开闭；水下施工中所用缆绳的系结与切割；水下救助和打捞；水下设施打磨和切割；水下构件或船体表面的清洁；水下钻孔、焊接。

⒊.水下机器人的主要组成

水下机器人一般由潜水器本体、水下观察设备、检测设备、导航定位设备（深度传感器、罗经、航速仪等）、机械臂、脐带缆、控制台、下放装置等组成。领航员在施工母船上通过控制台对水下机器人进行远程操作，完成特定的水下作业。ROV与控制台之间一般通过脐带缆将电力、液压、视频和数据及控制信号等相连，AUV同样有控制台，但没有脐带缆。

二、水下机器人在海洋石油工程中的应用

海洋石油工程中使用的ROV在外形、结构、功能等方面大致与常规ROV是一致的，只是机械臂或所携带的工具更具石油工程的特点。海洋石油工程应用的ROV大多装备4～8个液压推进器，根据作业目标选用具备相关功能的机械手，通常为一到两只，功能一般为视频摄像、抓握物体、剪切缆绳/钢丝绳、打开/关闭阀门、拆卸螺栓/法兰/卡环、水下焊接、水下火焰切割等。此外，还装备以下设备：定位系统、电罗经、测深传感器、左右舷悬臂摄像头、转动/倾斜摄像头、扫描声纳等。

海洋石油工程中使用的ROV，根据观察和作业能力可分为三类。第一类为纯观察型，只能完成水下纯粹的观察、录像作业，不携带任何水下作业工具和设备，一般用在海管着泥点监测、导管架下水观测、海床平面调查等作业中；第二类为作业型，通过安装不同作业功能的机械手，完成水下较为复杂的工作，此类型ROV是海洋石油工程中使用频率最高的；第三类为爬行类，主要指挖沟机和挖沟犁等，用于海底管道、海缆的挖沟埋设作业。

⒈.ROV在导管架安装中的作用

⑴地貌调查。导管架安装前，利用ROV对导管架安装区域的海底地貌进行地貌检查，确认是否存在自然坑、桩腿坑、海底异物等情况，如存在海底泥面不平的情况，需要根据情况做进一步填平处理。

⑵导管架扶正过程中的支持。导管架下水后，必须将导管架的姿态进行调平、扶正，利用ROV测量导管架防沉板与海床面的距离、角度、接触情况等，施工人员根据以上信息控制导管架下放。根据导管架的不同设计情况，有时还需要ROV在水下打开部分阀门，以实现导管架下水后的姿态调平。

⑶导管架定位。ROV行进到导管架立管口或其他标记处，标记深度、艏向、坐标等信息。

⑷引导插桩。利用ROV协助观察，确保导管架钢桩顺利插入喇叭口，有时需要引导钢桩下放至喇叭口插桩，并引导吊桩器泄压回收。

⑸监控打桩。在打桩作业时，必须使用ROV引导打桩锤套桩，在套桩成功后，还要监测打桩情况，例如钢桩角度，入泥情况，设备工作状态等。

⑹灌浆作业。钢桩打到位后，钢桩与导管架桩腿之间的空隙要进行灌浆固定。使用ROV监控氮气、淡水清洗桩脚内壁与桩外壁夹缝过程，并对该过程进行跟踪监控，将信息反馈给灌浆操作方。根据导管架的不同设计，有的导管架还需要ROV打开或关闭部分阀门以完成灌浆作业。

⑺辅助安装。在以上施工中，通过使用ROV剪切一些辅助安装的缆绳/钢丝绳、浮球浮筒等设施，拆卸/安装卡环等。

⑻导管架安装后调查。导管架安装作业完成以上全部施工过程后，还要使用ROV做进一步的系统检查，检查灌浆后桩脚底部与海床面的接触情况、导管架各阀门开关状态是否正确、导管架上各设备是否完好等，并保留相关视频影像，得到最终的导管架安装后调查报告，至此，导管架整个安装作业才算完成。

⒉.ROV在海底管线铺设中的作用

(1)ROV携带水下测量设备完成海底管线的位置、损伤、埋深、异物等工作。

⑵剪切一些辅助安装的缆绳/钢丝绳，如起始缆，剪切辅助安装的浮球浮筒等设施，拆卸安装卡环。

⑶水下观测工作：对管线的损伤情况、着泥点监控、废物堆积、管线悬跨、牺牲阳极以及管线的支撑、膨胀弯、注水装置和软管连接装置等进行巡航观测。

⑷电位测量：测量每根管线的阴极保护电位。

⑸管线悬跨测量：使用声纳测量管线悬跨长度。

⑹水下摄像：对整条海管的状态做录像保存，特别是缺陷、异常和管线的重要部位等的记录。

⑺水下作业：深海海管铺设中的膨胀弯安装过程，需要使用ROV完成法兰、螺栓等的拆装。

三、水下机器人的发展趋势

⒈.新式AUV是未来发展趋势

有缆水下机器人虽然通过电缆可以更好地实现供能和遥控，但限制了水下机器人的灵活性、活动范围以及作业种类，随着作业水深的增加，电缆长度及电缆阻力将增大，导致水下机器人的动力消耗增加，作业空间受到限制。由于水对电磁波的干扰，长久以来无缆遥控面临着难题，如何除去ROV携带的电缆长期困扰着科学家们。

随着科技的进步特别是硬件技术和控制技术的发展，新式AUV应运而生，它实现了无缆化，自带供能模块，活动范围大大提高，且能依靠自身的自动化控制能力来完成所赋予的工作，具有机动性好、智能化、安全性高等优点，在海洋油气资源开发中发挥的作用越来越大。

⒉.水下机器人尚待解决的关键技术问题

水下机器人是高技术的集成，虽然水下机器人本体的各种材料及相关技术已基本成熟，但随着水下机器人向大范围、大深度、长续航、多功能的发展，一些关键技术还需研究解决，例如：

⑴水下通讯问题。有缆水下机器人可以用电缆很好地实现信息传输，但电缆又限制了水下机器人的功能。无缆水下机器人的操控信号目前是以水声通讯来实现的，存在传输延时现象，因声音在水中的传播速度远低于光速，从而导致难以对水下机器人实时控制。而且传输距离又受载波频率和发射功率的限制，目前通讯距离仅10千米左右。另外，声通讯还容易受到多径效应造成的干扰，虽然可采用窄波速，但也存在波束对准和跟踪等问题。美国利用蓝绿激光实现了空中对水下100m深处潜艇的通讯，激光通讯的研发为水中大范围通讯开辟了一条新路，但目前蓝绿激光器的体积过大，效率低，能耗大，尚不能用于无缆水下机器人。

⑵能源问题。有缆水下机器人一般不存在能源问题，但如果在深海作业，随着电缆的增长，传输损耗也会增大。虽然可提高电压和加大频率，但会产生绝缘和安全问题。而对于无缆水下机器人，自带供能模块所存储的能源量是限制其作业范围的主要因素，可以考虑燃料电池，但目前在水下机器人中尚未得到应用，需要进一步研究开发。

⑶控制问题。有缆水下机器人的控制比较简单，可由操作人员通过操作台实现人机交互控制。但水下机器人在水中的运动有六个自由度，它本身是一个强耦合的非线性系统，加上局部水流方向、流速都是无规则变化的，动力定位控制系统的刚度很难满足定点作业的要求，这有待进一步研究。无缆水下机器人由于信息传输问题而难以实现实时控制，往往要求实现自治式控制或智能控制。但由于控制对象为6自由度，交叉耦合、非线性、时变性都非常严重，因此其控制技术十分复杂，要进一步研究开发。