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水下机器人在救捞中的应用初探

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供稿:中国工控网 2018/4/12 16:37:45
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水下机器人是水下无人潜水器的总称,主要分为有缆水下机器人(ROV)和无缆水下机器人(AUV)两类,其中由于ROV占据水下无人潜器的绝大多数,所以通常情况下水下机器人也泛指有缆水下机器人,即ROV。ROV因为可实时响应、扩展性强、减少潜水员下水危险性等特点,使得其显示了很大的水下工作潜力。随着产品技术和质量的不断提升,目前ROV已经广泛用于海洋石油、水下检测、搜救打捞等方面。打捞搜救是一项极为复杂的工程,涉及的领域极多。其中ROV主要工作就是代替潜水员在水下进行水下搜索、视频观测和打捞救助辅助等工作。

水下机器人发展及救捞中应用

水下机器人的研制可以追溯到20世纪中期,而真正引起轰动是1966年,一台名为“CURV-1”的ROV和载人潜水器配合,成功在西班牙外海找到并打捞了失落在海底的氢弹,从而水下机器人开始受到了关注。这台水下机器人是美国1960年研制,专门用于水下打捞的机器人,这台机器人还在1973年在爱尔兰成功救援了一搜失事潜艇中的驾驶员。

目前有很多国家和救援组织都采用ROV进行救助打捞工作,尤其是深水的救助打捞作业。美国Oceaneering公司就是这其中最成功的一家,他们自主研发并使用多款水下机器人,并配有相应的辅助系统,作业水域遍布世界各地。在近些年的几百起搜寻和勘察作业中,完成成功率近90%,并且创造了最大水深5425m的世界打捞记录。

在国内救捞方面,救助打捞局也已经配备了多台3000-6000m的ROV,并且已经在多次大型救捞项目中成功应用,但目前无论是ROV使用率或成功完成率方面都于国外有一定差距,尤其浅水救捞还主要依托潜水员为主。

设备和传感器推荐

01.缆控水下机器人(ROV)

水下机器人在救捞中的应用初探

图 - 江豚IV-C

  

02.旁扫声纳或AUV

旁扫声纳又称为侧扫声纳,通过两侧的换能器各向海底发射一条波束,通过接收回波信号的强度呈现海底的二维图像。旁扫声纳可以选择拖鱼搭载,采用母船拖拽形式工作,也可以通过集成在AUV上进行自主测量

水下机器人在救捞中的应用初探

图 – 旁扫声纳

03.扫描声呐

扫描声纳是通过换能器发射一条垂直扇形波束,然后通过机械转动扫描扇形或圆形区域成像。扫描声纳通常安装在ROV上,它相当于飞机上的雷达,用于ROV远距离搜索的补充。但机械扫描声纳对搭载平台稳定性要求较高,所以通常需要ROV坐底稳定后,进行扫描,完成整幅图像扫描后才能继续ROV操作

水下机器人在救捞中的应用初探

图 – 扫描声纳图像

04.多波束图像声纳

多波束图像声纳是在一定角度范围内有很多波束同时工作,能够在改固定角度内实时高分辨率成像。通常多用于ROV的实时导航和避障,以及在浑浊水域的目标探测、识别和区域内的检查。相比于扫描声纳,多波束声纳实时性更好,可以随时观测水下情况。

水下机器人在救捞中的应用初探

图 – 多波束声纳图

由于工作方式和成像结果的不同,单波束扫描声纳通常是用于定点范围目标搜索,而多波束图像声纳更适合实时的观测。如上图所示,在摄像头的视野范围内仅能看到最近处的梯子,但是却无法看到更远处的目标物。这时多波束成像声纳就可以有效的补充,发现ROV前方更多的疑似目标物信息。

05.水下定位系统

由于GPS信号在水下不能传输,水下机器人一般选用超短基线水下定位系统确定水下潜器的相对位置和运动轨迹。超短基线也叫做USBL,分为收发机阵和应答器两部分,应答器安装在ROV上,收发机阵从岸上或船上放入水下。收发机阵发射信号到应答器,并接收应答器的回馈信号,利用各个阵元之间的相位差(或者时延差)来测量目标的方位,从而计算出ROV在水下相对收发机阵的位置。再结合ROV内置的罗经和水面上的GPS等系统,即可获得ROV的绝对坐标位置。

水下机器人在救捞中的应用初探

 图 - 水声定位系统工作示意图

06.机械手等辅助工具

 为了方便水下进行样品的采集,可以根据情况为ROV选择搭载了机械手或者其他辅助工具,用于水下的抓取、剪切和取样等工作。

水下机器人在救捞中的应用初探

ROV在救捞行业的前景和趋势

ROV目前已经成为搜救打捞中不可或缺的力量,它可以代替人在搜救打捞过程中完成很多水下工作,比如穿引钢丝、水下清障、切割取样等。尤其在深水环境和危险环境,ROV的使用会极大的减少人员损伤风险。国际沉船打捞中ROV都发挥了重要的作用,也证明了ROV在搜救打捞领域的广阔前景。但是目前ROV在我国很多搜救打捞工作中并没有得到广泛应用,主要有以下原因:

1 水下机器人的成本相对偏高,尤其随着搜救打捞任务的复杂性,设备成本会成几何形上涨。

2 ROV的操作员需要具备丰富的经验,需要熟悉设备和传感器,同时需要具备海洋物理、空间几何等方面知识和良好的心理素质;

3. ROV目前技术已经逐渐成熟,但是水下环境复杂多变,水流、能见度等因素都会影响到水下机器人操作。

加强水下机器人的应用推广培训,扩展水下机器人的搭载能力、降低水下机器人操作难度,能够更好的使水下机器人服务于救捞行业。智能技术的不断发展,未来水下机器人也可以通过引入智能技术,自主判定水下的工作。                       

审核编辑(陈佳利)
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