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        ROV在海洋測繪中的應用研究

        2014-02-20 22:44:41 來源: 天津海事局海測大隊 作者:邊志剛 黃東武 李冬
        聊聊

         ROV in the marine surveying and mapping of the Applied Research

        Abstract: According to the composition and structure of the ROV features combined with fresh water environment and the actual operation of the marine environment by the data, analyze the advantages and disadvantages of ROV. Current briefed on the environment and water ROV operations. Focus on the underwater imaging methods and the selection of underwater target detection and recognition technology development. ROV in the future in the measurement of the sea can play the role of the prospects.

        Key words: Remote Operated Veh

        icle Imaging MethodOcean Current

        Water Environment

         

        一、前言

        海洋資源的開發與利用涉及到很多方面,其中測繪領域的應用將為國民經濟的發展提供寶貴的探測參考資料。發達國家在水下機器人探測技術領域有很深入的研究,目前,美國、英國、法國、德國、挪威、日本等國家在這方面取得了很大成績,我國尚處于起步階段,與上述發達國家相比還存在不小差距。水下機器人的種類很多、用途很廣,目前有AUV(Autonomous Underwater Vehicles)UUV(Unmanned Underwater Vehicles)ROV(remote operated vehicle)等種類的水下機器人。根據體形大小、性能的不同在軍事、漁業、海洋科學考察、深海探測等領域都有重要應用。ROV(水下機器人)是當今世界上較為先進的水下無人遙控探測器,其特點是無人駕駛,所有的操作都是通過數據傳輸光纜與水面操作人員實現的。ROV上配備了光學相機和雙頻識別聲納能夠以兩種方式探測水下目標物。同時ROV作為一個載體可以對其靈活改進以適應各種不同作業要求。以往在海洋測繪中對用聲納、磁力儀以及多波束測量出來的水下不明物或淺點的分析時多采用潛水員下潛探摸的方式,ROV實現了代替潛水員下潛作業的模式。本文簡要介紹ROV的軟硬件組成、硬件的性能、軟件的操作。著重結合千島湖實驗和天津港大沽燈塔塔基查看的實際資料,闡述ROV的應用。

        二、ROV結構組成及軟硬件性能

        ROV作為一個水下探測器其本身不能對任何水下物體進行測量。簡而言之,它就是一個潛水器。其標準配置構成包括:黑白導航相機、彩色攝像、照相相機、鹵素燈、磁羅經、推進器和電子倉等。ROV上面要搭載其它設備要根據不同用戶的需要配置,天津海測大隊所引進的ROV包括如下設備:

        這里將一套完整的ROV分為以下幾個單獨系統:

        1)潛水、動力系統

        包括四個動力435W的推進器,兩只75W的鹵素照明燈,一個磁羅經。配置了HLK43000a型機械臂。核心部分是電子倉,所有的外部指令及自身的工作都要經過該集成電路的處理。

        2)操作、控制系統

        包括卷軸電纜、操縱桿、電源箱,核心部分是甲板單元上面有主機、光盤刻錄機和顯示器。是操縱人員監視ROV的運行參數和向潛水器發送指令的重要系統。甲板單元上操作人員可以得到ROV的深度信息(距離水面),自身的磁北方向。ROV的工作電壓(DC 380V410V)、工作電流(AC 0A8A)以及ROV的濕度顯示和溫度顯示,這些都是ROV運行中的重要性能參數。

        3)成像系統

        在潛水器系統中我們搭載了兩種水下觀察設備,包括黑白導航相機、彩色照相、攝像機在內的光學成像設備和淺水雙頻識別聲納(DIDSON)在內的聲學成像設備。

        4)定位跟蹤系統

        TrackLink1500MA(超短基線定位跟蹤系統)是這套ROV的又一大特點,海底作業對ROV的整體安全產生影響的最重要因素就是海流。考慮到海下作業ROV的安全,配備的這套系統能夠跟蹤多達9個目標應答器。其原理就是將船的絕對位置坐標和船首向方位傳遞給TrackLink Navigator軟件,采用極坐標計算方法進行基線解算,求得被跟蹤目標的絕對坐標位置。該系統的方位定位精度優于1°,整體定位精度優于2.5m

        5)導航和數據采集系統

        主要是由Qinsy軟件實現的。該軟件是一個功能強大的綜合性軟件,是多波束數據采集軟件6042的升級版。主要實現潛水器導航定位,同時可接入測深儀實時顯示ROV沿航跡方向上的水深情況。

        三、淡水、海水實驗情況及分析

        2008526610,在浙江杭州建德市新安江水電站(千島湖)淡水湖中進行了系統全面測試。主要包括:設備安裝、聯機測試、ROV設備各項性能指標測試、操控軟件、超短基線定位軟件、雙頻識別聲納軟件、 Qinsy導航軟件測試以及機械手功能測試等。

        在整個實驗期間對系統工作穩定性及各項功能進行了測試分析,見下表:

        新安江水電站

        定深功能

        啟動定深功能后能夠保持在相應的水深處,初始狀態下上下浮動變化較大,1-2分鐘后在所需的水深處能保持定深。

        水體密度對ROV上浮、下沉的影響

        淡水的密度為1g/cm3,而一般情況下海水的密度取1.02g/cm3。海水的密度同時還受海水溫度的影響。ROV在淡水中上浮下沉的反應速度要比在海水中快,定深的靈敏度下降,在淡水中即使將ROV的配重鉛塊全部卸掉ROV在沒有任何動力情況下仍然會自然下沉。

        航向功能

        ROV內置磁羅經,自動航向精度達到±1%,能夠保持在指定的航向上。

        導航功能

        采用GPS對船體絕對定位,定位精度取決于GPS系統定位精度。ROV的位置通過水下聲學定位技術實現位置最標的計算。其定位精度一方面取決于GPS系統定位精度,另一方面取決于超短基線定位精度。超短基線的定位精度優于2.5m

        動力系統

        前進、測推、上浮、下沉靈敏度較高。

        200881696,對天津港大沽燈塔塔基及水下地形應用ROV系統全方位探測。在海水中檢驗測試ROV系統作業效果及系統穩定性。

        經探測及測試,ROV系統在大沽燈塔水域作業效果及系統性能分析見下表:

        天津新港大沽燈塔

        定深功能

        啟動定深功能后能夠保持在相應的水深處,上下浮動變化較小,穩定在所需水深處需要的時間相對較短。

        水體密度對ROV上浮、下沉的影響

        ROV在海水中需要配重兩邊共八個鉛塊,這種情況下ROV能在不加任何動力情況下懸浮在海面上,上浮、下沉過程緩慢,但定深功能穩定。

        航向功能

        能夠保持在大致的航向上,左右有一定的搖擺,發出定向指令到完成定向功能動作緩慢。

        導航功能

        和在淡水環境上一樣,定位精度上沒有變化。

        動力系統

        前進、測推、上浮、下沉靈敏度下降。

        根據上述千島湖測試及大沽燈塔探測分析圖表得出以下結論:

        1)海流對ROV定向、定深以及動力控制都有很大影響。千島湖水質良好,是“天然游泳池”。湖區內幾乎不受風浪的影響,因此ROV在水中運動不受外界阻力影響。海水的漲落潮加之海風和地形的綜合影響使得ROV在海上的操作自由度受很大影響。

        2)水體環境對ROV成像清晰度有很大影響,渤海海域以至于整個北方海區的水體透明度都很難于千島湖水體相提并論。在相同水深處不同水體環境下能見度情況比對見下表:

         

        千島湖

        天津新港大沽燈塔

        1m-5m

        8m-10m

        0.5m-1.5m

        5m-10m

        4m-5m

        0.5m-1m

        10m-20m

        2m-3m

        0.5m以內

        20m以下

        2m以內

        幾乎看不到

        由上表可見,在海水環境中光學成像效果是比較差的,因此當今世界水下機器人重點利用的還是聲學成像方式,各國都很重視ROV在海水下面成像視程這一課題。

        ROV是當今世界海洋探測和科學考察領域較為先進的技術手段,它的問世標志著人類可以向更加廣闊的海洋深水領域進軍。ROV的優勢在于輕便、微型化、便于操作,重量是大型水下機器人的1/101/20。更重要的是它的出現代替了潛水員的部分工作,海上工作更加安全。但ROV上處于發展的初級階段,到如今ROV的發展才經歷了30年左右的時間。ROV自身還存在很多技術上的難題,其中水下目標的識別于探測技術就是有待人類解決的一大課題。隨著科技的不斷進步,新技術新理論必將應用到海洋科學研究中來,造福人類。

        四、ROV水下目標的探測與識別技術展望

        水下目標的探測與識別對于ROV水下作業來說是至關重要。水下機器人要完成所賦予的使命,就必須獲取各種環境信息,特別是水下目標的信息,操作人員依據此做出作業決策。根據水下的環境特點,常用的水下探測設備是聲成像和光成像傳感器。其中,聲成像傳感器占有主要地位,也是國內外研究的重點。目前,應用在智能水下機器人上的聲成像傳感器主要有高低頻合成孔徑聲吶(雙頻識別聲納)、側掃聲吶、前視聲吶和三維聲成像聲吶。光在海水中的衰減比在空氣中快得多。光在水中傳輸的能量按指數規律迅速衰減,使得光學圖像對比度產生嚴重的灰白效應,色彩失真,視程大大縮小。為了彌補微光成像系統的不足,各國十分重視水下激光成像技術的研究。理論推測激光成像距離可以達到12個衰減長度。國外在智能水下機器人上采用了激光線性掃描系統,作用距離相對較大,因而特別有價值,國內也積極開展這方面的研究,取得一定的研究成果。

        綜上所述,由于海洋環境復雜,獲取水下目標信息的手段十分有限。聲探測距離遠,所以仍是目前的主要手段。而對于依靠聲圖像的目標識別仍然有難度。根據水聲專家的預測,依靠聲反射特性可能是解決識別的正確途徑。另外,激光成像具有微光成像的特點,距離又增加,是一種比較理想的手段,然而要滿足對水下目標識別的要求,仍然有不少技術難關需攻克。

        五、ROV在未來海洋測繪中的應用展望

        隨著科技的不斷進步,ROV在自身的硬件上會有不斷的革新,我們有理由期待改進后的ROV能夠更加適用于海洋測繪。理由如下:

        1、目前的ROV我們只能得到其到海平面間的距離,可以在ROV上安裝單波束測深儀,能夠實時得到ROV相對于海底的距離,同時可以反映一部分海底地貌起伏變化的特征。

        2、在ROV上安裝多波束測深系統,并且將后處理的海底三維立體圖導入ROV導航軟件中做為ROV操舵手的背景底圖,能夠時時得到ROV的空間位置信息,那將是革命性的創新。要想實現這一點,首先要解決多波束后處理出的圖形矢量合成的問題。

        3、定位導航技術有待技術革新。目前我們采用的導航技術主要是依靠超短基線,此外還有長基線、短基線定位方式。這些定位方式方式都只局限于一定范圍內精確導航。國外目前多數采用小型慣性導航系統對水下機器人實現精確定位。然而這項技術國內還沒有辦法實現,國外對我國還實行禁運政策,因此需要廣大科技工作者不斷努力突破技術上的堡壘。

        六、結語

        我國有著綿延18000余公里的海岸線,是海洋資源豐富的大國。加強海洋科學投入,必將是一項有戰略意義的工程,需要投入大量的人力物力。需要政府牽頭,學校提供理論支持,企業承擔實踐平臺,發揮社會主義制度的優越性。某些先進的機器人先進在其中核心的一到兩項技術,,因此攻克關鍵技術上造成的瓶頸是科技工作者共同面對的。在發展新技術的同時要注意防止底端技術的重復,避免人力、物力、財力的浪費。

         

        參考文獻:

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        [2]馮正平.國外自治水下機器人發展現狀綜述[J].魚雷技術,2005,13(1)

        [3]封錫盛,劉永寬.自治水下機器人研究開發的現狀和趨勢[J].高技術通訊,1999,9

        [4]徐玉如,龐永杰等.智能水下機器人技術展望[J].智能系統學報,2006,1(1)

        [5]劉雁春.海道測量學概論[M].北京:測繪出版社,2006

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