网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

深海作业型ROV系统概述及展望

0
分享至

作者:刘芳平、黄煜宗、叶俊聪、黄元铿,中国地质调查局广州海洋地质调查局

地球上海洋总面积约为3.6亿平方公里,约占地球表面积的70.8%,且大部分区域都属于深海,使用ROV进行深海探索具有重要意义。ROV根据配置方式的不同,可分为有中继器、压载器与装浮球3种模式;根据作业能力,可分为观测型和作业型。其中,作业型ROV主要用于近海底观察、资源开发、深海科考等。

本文对作业型ROV的国内外发展现状、系统组成和应用进行了详细梳理,并对ROV通信技术、电力传输技术、探测和识别技术、标准化和模块化设计、可靠性设计和工作模式创新进行展望。

一、作业型ROV国内外发展现状

1、国外发展现状

国外对ROV的研究起步早且技术成熟,国外发展现状如表1所示。

表1 国外主要海洋调查机构拥有的ROV及其基本配置情况

机构名称

日本JAMSTEC

法国Ifrener

美国WHOI

加拿大ISE

ROV名称

Kaibo

Victor6000

Jason2/Medea

ROPOS

深度级/m

11000

6000

6000

5000

机械手

2只七功能主从式机械手

1只主从式七功能机械手:Maestro;1只开关式五功能机械手:Sherpa

2只七功能机械手:SchilingOrion,KraftPredatorⅡ

1只七功能机械手:Kodiak;1只五功能机械手:Magnum

主要作业工具

5个摄像机,1个照相机;海水温度盐分测定器等

3个摄像机,5个照相机;可移动采样篮,岩心钻取器等

9个摄像机,3个照相机;升降式取样器等

3个摄像机;采样盘,生物容器,采样器等

2、国内发展现状

国内ROV的研究工作起步较晚且技术相对落后,国内发展现状如表2所示。

表2 国内主要海洋调查机构拥有的ROV及其基本配置情况

机构名称

日本JAMSTEC

法国Ifrener

美国WHOI

加拿大ISE

ROV名称

Kaibo

Victor6000

Jason2/Medea

ROPOS

深度级/m

11000

6000

6000

5000

机械手

2只七功能主从式机械手

1只主从式七功能机械手:Maestro;1只开关式五功能机械手:Sherpa

2只七功能机械手:SchilingOrion,KraftPredatorⅡ

1只七功能机械手:Kodiak;1只五功能机械手:Magnum

主要作业工具

5个摄像机,1个照相机;海水温度盐分测定器等

3个摄像机,5个照相机;可移动采样篮,岩心钻取器等

9个摄像机,3个照相机;升降式取样器等

3个摄像机;采样盘,生物容器,采样器等

总体上,国内具有ROV总体制造和集成能力,下潜深度可达到国际同等水平,与国外的主要差距在于一些关键零部件和关键技术被垄断,不能实现技术的产业化。

二、作业型ROV系统组成

目前,几乎所有水下检测和维护作业都需要通过水面支持船(作业母船)、ROV系统和经验丰富的ROV领航员来完成。水面支持船是水面支撑系统,承担ROV的长途运输、动力支持、布放回收及水面控制等任务,且必须具备动力定位功能,保持在水面的位置。

ROV系统包括水上、水下2个部分:水上部分由控制单元和布放回收系统(LARS)组成;水下部分由中继器(TMS)和ROV本体组成,作业型ROV系统组成如图1所示。

图1 ROV系统组成

1、水面控制单元

水面控制单元包括配电柜、控制系统、操控台、显示器等。水面控制单元进行电力和通讯的控制和分配,通过脐带缆与ROV进行电力输送和通信连接。

由于无线技术的限制,通信一般通过脐带缆进行,使用脐带缆供电/通讯可以不受电量和数据处理能力的限制。ROV光纤通信示意图如图2所示。

图2 ROV光纤通信示意图

2、布放回收系统

LARS由脐带缆、绞车、排缆器、A型架、HPU等组成。LARS可布置在母船舷侧或船尾。ROV标准作业流程:①准备,②布放,③下潜,④作业,⑤上浮,⑥回收,⑦维护。ROV布放、作业、回收示意图如图3所示。

图3 ROV示意图

脐带缆用于ROV的电力传送和信息通信,通常由数根电缆、光纤、聚合物保护套、填充物在成缆机上螺旋成形。根据作业海深和工况的不同,有时需对脐带缆进行铠装,以提高其抗拉强度,防止其在恶劣工况下被拉断。同时,脐带缆绞车需具备升沉补偿功能,以保证脐带缆处于恒张力状态。脐带缆参数和结构示意图如表3和图4所示。

表3 4500mROV脐带缆(Nexans)参数

名称

参数

空气中的质量/(kg/km)

3400

海水中的质量 /(kg/km)

2600

比重

4.4

破断力/kN

450

工作负载/kN

150

推荐弯曲半径/cm

69

额定电压/V

3300

电源单向

4mm2铜

图4 脐带缆结构示意图

3、中继器管理系统

TMS主要由中性缆绞车、对接机构以及框架等组成。TMS通过脐带缆与A型架、绞车相连,直接由主缆收放,与ROV本体之间通过中性浮力系缆连接。TMS隔离了作业母船升沉、纵倾、横摇的影响,同时也消除了系缆对ROV的拖曳影响,保证了ROV运动的平稳性、灵活性。常见的TMS有机库式和顶帽式2种,顶帽式承载能力和储缆能力更强,储缆长度可达数千米,ROV作业半径更大,通常被用于深海作业型ROV。

4、ROV本体

ROV本体包括框架、浮力材料、控制系统、动力与推进系统、导航定位系统、通信系统、摄像及照明系统、载荷系统等。“海马”号的基本构成如图5所示。

图5 “海马”号的基本构成

(1)ROV框架和浮力材料

ROV大多采用开架式结构,可提高整机稳定性,同时便于安装和携带各类传感器和设备。浮力材料是使用密度低于水的材料制成的浮力块,同时能够承受深海作业时的水压。ROV下潜时,采用浮力块加压载块结合的方式,提高整机的有效载荷,为ROV节省动力。

(2)水下控制系统

水下耐压电子舱是ROV的核心部件,内置水下光端机,为其他部件进行电力分配和数据通信,并与水面控制单元保持实时的信号传输。

(3)动力与推进系统

推进器的配置决定着运动控制,影响推进器配置选型的主要因素包括机器人的主尺度、推进分配功率、推力需求、自由度和有效荷载等。为了实现更精准高效的六自由度控制,可以按照一定的角度安装推进器,实现矢量推进。

作业型ROV一般为液压系统,ROV下潜深度越大,所承受的海水压力就越大,高压易导致阀箱、灯箱等箱体被压坏,因此需要液压补偿以平衡外部海水压力。

(4)导航定位系统

水下机器人在水下实现精准定位、自主导航,需要位置、速度和姿态3种测量单元。位置测量单元可以由GPS、超短基线定位(USBL)系统等设备构成;速度测量单元目前最有效的手段就是声学多普勒速度仪(DVL);姿态测量单元通常是通过惯性导航系统(INS)测量计算得到的。

ROV的导航定位系统通常由GPS,USBL,DVL,INS,罗盘(舰首、倾角传感器)、深度计和高度计等传感器组成,可实现定高、定深、定向,拥有良好的原位保持能力。

(5)通信系统

ROV通信一般使用脐带缆,传输介质是金属导体或光纤。光纤传输不受交流电感应噪声的影响,传输距离远、带宽大,光纤技术已经成为作业型ROV领域的行业标准配置。

网络和通信离不开通信协议,每个协议都为系统间的数据交换提供了一套规则。ROV行业使用的3种常见通信协议的比较如表4所示。

表4 ROV行业使用的3种常见通信协议的比较

通信协议

RS-232

RS-485

千兆以太网

网络拓扑

单端

多点

多点

通信模式

全双工

半双工或全双工

半双工或全双工

最大通信距离/m

15

1200

100

最大传输速率

20kbps

10Mbps(15m)

1Gbps

可知,每种通信方式都有其优缺点,在实际选择过程中,需充分利用不同通信方式的特点以满足实际需求,同时也要考虑匹配设备和传感器通信接口。

(6)摄像及照明系统

摄像及照明系统包括声呐、水下灯(HIM灯、LED灯等)、高清摄像机及高清照相机等。声呐用来对海底地形地貌和ROV周边环境进行成像和勘测,并防止ROV与水下障碍物发生碰撞。高清摄像机及高清照相机用于近海底观察,获取高清视频和图片,由于自然光无法到达深海,水下黑暗和高压环境对水下灯、高清摄像机及高清照相机提出较高要求。

(7)载荷系统

载荷系统包括作业工具和搭载设备。根据不同的作业任务,可选配不同的作业工具,如多功能机械手、取样器及割缆器等。ROV作为科研搭载平台,可搭载多波束系统,浅层剖面仪、CTD传感器,海流计等设备和传感器用于水下观测。

三、作业型ROV的应用

ROV的应用实质是进行水下探测和作业的载体平台。如图6所示,ROV可深入海底观测生物的多样性和分布,也可使用机械手及挂载工具进行作业和取样等。

图6 作业型ROV观测生物的多样性和分布、作业和取样

四、作业型ROV发展展望

1、通信技术

ROV使用多个高清摄像机和高清照相机,搭载和控制各类传感器设备以及进行远程操作时,数据吞吐量和带宽对于ROV是很重要的。

通信网络和卫星技术的发展,使得无人船和远程陆基操作成为可能,如图7所示。在陆地上对水下设备建立远程控制中心,可以实时对全球范围内、数千米海深的ROV进行远程控制,数据获取和后处理。同时可以让海上施工更加高效安全,而且能第一时间进行海底干预。

图7 远程陆基操作

未来将通过多种通信方式相结合,提高通信能力,大力发展能够摆脱水面支持的自主或半自主工作级水下机器人技术,创新工作模式,降低运营成本和安全风险,减少用工量是未来的发展方向之一。

2、电力传输技术

随着电气系统和电池技术的不断进步,电动ROV(E-ROV)应运而生。E-ROV可以进行更复杂、更精确的自主操作,甚至常驻海底。ROV是液压和电力推进系统之间的平衡,未来将继续减少对液压系统的依赖。ROV目前是脐带缆供电的,但也可以连接到海底电源(海底电缆),理论上可以无限续航。

全海深、长距离动力(电力)传输,海底高效能源动力供应,铺设海底电缆和基站,建设海底城市是未来的发展愿景。通信网络、无线技术和电力传输技术的发展将为ROV常驻、自主和远程操作开辟一条全新的道路。

3、探测和识别技术

目前水下目标探测与识别主要分为声学、光学2种方式。发展机器视觉识别技术,如基于机器视觉识别原理的水下对接技术,实时数据处理和海底成像(仿真模拟器,3D成像,VR,AR技术等)是一个重要领域。另外,丰富海底地形地貌图库和海洋生物资源库也是亟需和必要的。

4、标准化和模块化设计

目前,ROV各子系统定制化程度明显,不具备通用性和互换性,这就要求ROV在设计之初就需充分考虑模块化、扩展性和挂载能力。标准化可从机械、液压、电气、软件等方面着手,提倡标准接口和标准数据格式。在设计和制造过程中分模块进行总体布局和优化设计。为提高深海作业型ROV的作业性能、通用性以及协作能力,水下机器人标准化和模块化设计是未来的发展方向之一。

5、可靠性设计

可靠性设计是深海作业型ROV安全作业和顺利回收的重要保障,包括机械结构、水下耐压密封等硬件方面,也涉及故障检测、容错控制等系统控制方面。基于解析模型、信号处理的故障检测方法,异步信息融合技术和容错滤波技术仍是深海作业型ROV可靠性设计方向之一。

五、结语

深海作业型ROV是人类探索和开发海洋的重要载体,安全、稳定、高效和可靠的作业性能始终是深海作业型ROV的研究方向。随着ROV通信技术、电力传输技术、探测和识别技术、标准化和模块化设计、可靠性设计的发展,摆脱水面支持,创新工作模式,降低生产和运营维护成本,增加水下作业窗口期,减少用工量,ROV在未来进行自主、远程操作和海底常驻完全必要和可行。

来源:《船舶物资与市场》(2021年第10期)、溪流之海洋人生

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
大布妻子每月零花钱100万刀,富豪岳父认为小贝没给儿子足够支持

大布妻子每月零花钱100万刀,富豪岳父认为小贝没给儿子足够支持

云隐南山
2026-01-30 11:40:07
小学生“倒数第一”试卷又火了,老师:这孩子智商太高,我教不了

小学生“倒数第一”试卷又火了,老师:这孩子智商太高,我教不了

浩源的妈妈
2026-01-27 06:29:07
鹿哈将“成为”闫学晶?称连30万都拿不出来,忘记初心易翻车

鹿哈将“成为”闫学晶?称连30万都拿不出来,忘记初心易翻车

然哥闲聊
2026-01-30 21:00:03
杨鸣揭秘球员转会!张镇麟选择上海,周琦有特权,赵继伟也要走?

杨鸣揭秘球员转会!张镇麟选择上海,周琦有特权,赵继伟也要走?

体坛大事记
2026-01-30 11:01:10
可控核聚变、固态电池、存储芯片:三个前沿技术赛道,普通人咋看

可控核聚变、固态电池、存储芯片:三个前沿技术赛道,普通人咋看

Thurman在昆明
2026-01-30 20:00:24
行货iPhone15跌成狗!全新卖2000多元,摆明要清仓下架了

行货iPhone15跌成狗!全新卖2000多元,摆明要清仓下架了

科技良辰
2026-01-28 15:51:07
CBA首个主场之夜:主队全胜客队全败,悬殊胶着菜鸟互啄

CBA首个主场之夜:主队全胜客队全败,悬殊胶着菜鸟互啄

老嗮说体育
2026-01-30 23:18:46
没时间了,中俄刚挂断电话,特朗普告知全世界,伊朗灭国之战在即

没时间了,中俄刚挂断电话,特朗普告知全世界,伊朗灭国之战在即

萧鑟科普解说
2026-01-30 17:45:21
天津小伙接29岁离婚表嫂同居后续:表嫂正脸照流出曝更多离婚内幕

天津小伙接29岁离婚表嫂同居后续:表嫂正脸照流出曝更多离婚内幕

削桐作琴
2026-01-28 18:17:22
恩比德赛后警告马克西:别再故意罚丢!76人险胜背后的惊险决策

恩比德赛后警告马克西:别再故意罚丢!76人险胜背后的惊险决策

大眼瞄世界
2026-01-30 12:11:09
央视最新曝光:中美疑似爆发激烈海上交锋,外舰挑衅被我052D锁定

央视最新曝光:中美疑似爆发激烈海上交锋,外舰挑衅被我052D锁定

壹知眠羊
2026-01-27 20:03:05
末节崩盘23中4!完全打不了硬仗,内线支柱倒下,还不交易?

末节崩盘23中4!完全打不了硬仗,内线支柱倒下,还不交易?

阿浪的篮球故事
2026-01-30 16:50:09
原来李莉就是“春晚钉子户”孙涛的老婆,难怪孙涛每年都能上春晚

原来李莉就是“春晚钉子户”孙涛的老婆,难怪孙涛每年都能上春晚

李健政观察
2026-01-29 09:23:45
赵丽颖和赵德胤分手了?男方与前女友复合拍新片,没和赵丽颖二搭

赵丽颖和赵德胤分手了?男方与前女友复合拍新片,没和赵丽颖二搭

萌神木木
2026-01-30 16:44:57
起风了!加拿大对华改口,禁止与中签协定,65万吨油菜籽白买?

起风了!加拿大对华改口,禁止与中签协定,65万吨油菜籽白买?

花小猫的美食日常
2026-01-30 06:49:18
绿色旗袍美女 身材曼妙 多姿多彩

绿色旗袍美女 身材曼妙 多姿多彩

喜欢历史的阿繁
2026-01-31 00:55:33
创维退市!“彩电大王”成弃子?

创维退市!“彩电大王”成弃子?

互联网那些事
2026-01-30 18:32:55
2026款宝马7系上市!售价80.8万起,豪华行政外观,搭3.0T V6引擎

2026款宝马7系上市!售价80.8万起,豪华行政外观,搭3.0T V6引擎

小史谈车
2026-01-28 18:08:05
中国春节赴日2376班航班取消!中国游客消费2万亿被嫌弃,日网友:欧美游客多了,不亏!

中国春节赴日2376班航班取消!中国游客消费2万亿被嫌弃,日网友:欧美游客多了,不亏!

东京新青年
2026-01-27 17:56:04
万茜自曝上学时没人追,看清她的校服照后,网友:这谁敢追啊!

万茜自曝上学时没人追,看清她的校服照后,网友:这谁敢追啊!

背包旅行
2026-01-17 15:03:45
2026-01-31 01:52:49
蓝海长青智库 incentive-icons
蓝海长青智库
军事和安全为主的新型高端智库
11344文章数 30275关注度
往期回顾 全部

军事要闻

新西兰拒绝特朗普:不加入"和平委员会"

头条要闻

金晨是否构成肇事逃逸 助理顶包有何后果 律师解读

头条要闻

金晨是否构成肇事逃逸 助理顶包有何后果 律师解读

体育要闻

“假赌黑”的子弹,还要再飞一会儿吗?

娱乐要闻

警方通报金晨交通事故,否认网传骗保

财经要闻

水贝惊雷:揭秘杰我睿百亿黄金赌局的背后

科技要闻

意念控制机器人不是科幻 1-2年就落地

汽车要闻

合资品牌首搭800V/5C快充 东风日产NX8将于3、4月上市

态度原创

手机
房产
本地
旅游
公开课

手机要闻

差200元!红米Turbo 5与Max该怎么选?这4点核心差异看完不纠结!

房产要闻

藏不住的小城大事,海澄新城执掌自贸港风口,进阶兑现美好生活新篇

本地新闻

云游中国|拨开云雾,巫山每帧都是航拍大片

旅游要闻

“先回家再出游” 火了!春节错峰旅行,省钱还不挤

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

无障碍浏览 进入关怀版