2017, Vol. 39
海洋是国家综合实力和高科技的竞技场。深海作业系统是重要的海洋探查和作业平台。它的研发使用，在全世界已有50多年的历程。美、日、俄、法等国家已拥有从先进的水面支持母船，到可下潜3 000～11 000 m的潜水器系列装备[1]。
与发达国家相比，我国在海洋探查技术装备水平还存在一定差距。面向深海的诸多关键技术仍为少数发达国家所垄断，即便进口，后续技术支持和技术服务也常常受制于人。目前国内海洋调查和海洋油气工程上使用的作业ROV多以进口为主，最大作业深度为3 500 m。4 500 m是中国南海中央海盆的深度，更是一个具有中国海域特点的深度。这一深度，可以覆盖我国南海98%的海域，研制这一深度级别的深海运载和作业设备，能够满足我国绝大部分深海探测和作业的相关需求。
上海交通大学是“海马”号ROV的主要研制单位，以上海交大海科院的水下环境条件模拟实验室为研发建造基地。该项目于2008年立项启动，经过近6年的攻关，突破了本体结构、浮力材料、液压动力和推进、作业机械手和工具、观通导航、控制软硬件、升沉补偿装置等关键技术，是我国迄今为止自主研发的下潜深度最大、国产化率最高的无人遥控潜水器系统，并实现了关键核心技术国产化，已达到国外同类先进ROV的技术水平。
1 ROV作业系统构成“海马”号ROV作业系统主要由甲板吊放回收系统、控制集装箱、ROV本体（含水下作业工具系列）等部分组成，依托“海洋六号”作业母船开展试验研究。可参见图1所示。
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图 1 “海马”号ROV系统构成 Fig. 1 Operation system of “Sea Horse” ROV |
“海马”号ROV的作业支持母船为“海洋六号”，隶属广州海洋地质调查局。该作业支持母船为ROV提供动力和动力定位（DP1），并且配备USBL超短基线定位系统，实现ROV的通信定位、甲板吊放回收等技术支持。
1.2 ROV甲板吊放回收系统ROV吊放系统的系统构成如图2 所示，主要由A型架、脐带绞车、牵引绞车和交大研发的升沉补偿器组成。
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图 2 ROV甲板吊放系统构成 Fig. 2 System Layout of ROV LARS |
ROV吊放回收系统主要技术性能指标如下：
牵引绞车安全工作负荷 20 t；
适应缆径 32.8 mm/17.3 mm；
缆速 0.6 m/s（牵引力20 t）；1.2 m/s（牵引力10 t）；
储缆绞车储缆容量 6 000 m（缆径32.8 mm）/10 000 m（缆径17.3 mm）；
自适应直角排缆；
深沉补偿装置最大补偿幅度 ±2.5 m，安全工作负荷：12 t。
1.3 ROV本体
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图 3 ROV本体构成 Fig. 3 Layout structure of ROV |
ROV本体构成如图3 所示，主要技术性能指标如下：
最大工作深度 4 500 m；潜水器最大功率 130 hp；最大作业海况 4级；最大纵向航行速度 2.6 kn；五功能机械手；七功能机械手；有效载荷 260 kg；采样篮底盘/海底观测网布缆底盘；具有水下搜索、观察、数据传输和记录功能，提供作业工具接口。
1.3.1 ROV总体设计总体设计是潜水器研发的关键，涉及到总体布置、材料科学、高压密封技术、总体集成和试验技术等诸多难点。
“海马”号ROV采用核心框架结构设计，该结构设计4根中心核心立柱主要承受ROV本体重量及其他载荷，顶部布置浮力材料，系统水下稳定。主要组成和布置如图4所示。
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图 4 ROV总布置图 Fig. 4 General Layout Drawing of ROV |
1）主结构框架：主框架采用高强度铝合金（6061–T6）焊接而成，强度具有足够的安全裕度。
2）浮力材料块：密度 0.53±0.02 g/cm3，耐全方位测试静水压强度 56.25 MPa；安装于主结构框架的顶部。
3）工具样品底盘或布缆底盘，安装于主结构框架的底部下方。
4）机械手：5功能机械手和7功能机械手安装于前方底部两侧。
5）推进器：8台液压马达驱动导管螺旋桨推进器，水平面4台，垂直面4台。
6）液压动力源：2台电机驱动2个变量泵对称安装与底部左右两侧。
7）控制阀箱：共设计6个阀箱。分别为7功能伺服机械手控制阀箱，6功能机械手开关阀箱，2个4功能螺旋桨推进控制阀箱、云台采样篮控制阀箱，备用工具阀箱。
8）声呐和信标系统：1部搜索声呐，1部超短基线信标，1部无线电信标，1部闪光信标，位于器浮力材料前方，1部定高声纳位于框架底部。
9）水下灯：6只卤素灯和2只HMI灯；尾部2只卤素灯，浮力材料顶部2只卤素灯，框架前部2只卤素灯和2只HMI灯。
10）摄像系统：尾部云台和浮力材料顶部各安装1个彩色摄像头，前部框架安装1个高清和1个低照度摄像头，前部云台安装1个彩色变焦摄像头和1台数码相机。
11）云台：首部2个自由度主云台，尾部1个俯仰云台。
12）电子舱：1个耐压电子舱布置于框架底部后方。
13）变压器箱：1个变压器箱布置于框架核心底部。
14）电气接口箱：1个脐带终端舱和3个电气接口箱，布置于框架核心支柱两侧和前部。
15）压力补偿器：6个2.5 L压力补偿器和1个0.5 L压力补偿器，安装于四角支柱上。
16）油箱：1个液压油箱位于框架前部。
主要设计特点：
“海马”号ROV的框架结构采用6061-T6槽铝焊接而成，它具备耐腐蚀性好、密度小、强度高等优点。ROV的框架焊接工艺和焊接质量检验按照行内标准执行。通过对ROV框架焊接试件进行18 t拉力等试验后，对焊接试件的物理特性和质量进行考核。起吊结构使用的是316不锈钢材料，316不锈钢材料满足强度要求之外，也满足耐磨性需要。结构设计通过有限元分析计算，对ROV甲板存放、水中航行、吊放作业等不同工况时进行相关力学校核。
系统采用8台推进器，其中4台水平推进器和4台垂直推进器分别采用矢量布置，保证了ROV有足够动力的同时，具备更良好的操控性，满足水下前进、后退、升沉、转弯等功能要求。
“海马”号ROV一共配备了包括1台高清摄像机在内的9台摄像机，9只水下灯，摄像照明系统与云台配合使用具有观测效果。布置时，从ROV运动平稳性、摄像机的视距、视角、照明装置的照度、水质情况等因素加以全面综合考虑，以获得合理的照明摄像配置。
系统配置了2套水下机械手。其中，五功能机械手位于本体左前位置，七功能机械手位于右前位置，在水下互相配合工作，可操作各种水下作业工具，执行诸如海底取样、线缆切割等水下作业任务。
研制过程中，解决了系统散热、穿舱密封等众多技术难点，研制出整体插拔式电子舱和各种耐压结构，攻克了深海设备的重要环节，相关技术经过反复优化设计和试验。
1.3.2 ROV电子控制系统基于安全方面、便于维护升级、添加传感器节点方面的考虑，“海马”号ROV的电子控制系统采用了透明分布式处理、多传感器节点的组成架构[4]，如图5所示。电控系统对所有电气和信号进行隔离，确保各个部分相对独立，增加了系统的可靠性，便于故障判断和系统维护，同时扩充更多控制节点、利于系统升级改造。自主开发了高清采集、高清传输、高清显示和保存高清摄像系统。
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图 5 ROV传感器组成架构 Fig. 5 ROV Sensor Distribution |
“海马”号ROV的内部板卡将所采集到信息的原始数据传输到水面，通过水面的上位机软件进行原始数据进行处理，得到所需要的转换后的数据。水下板卡不对数据进行任何形式的处理，仅进行滤波操作，水面部分根据端口以及协议的不同去处理数据，一方面能够减小水下板卡对数据的处理压力；另一方面，由水面处理数据，在检测项目或者接口时，不需打开电子舱进行操作，仅仅打开接口箱进行跳线以及对上位机软件进行维护即可，大大方便了设备维护以及设备的控制通信节点的增加以及更新升级。
电控系统对设备做了充分的状态监控，使得用户能够得到足够的关于设备在水下状态的信息，包括各个节点的电压电流绝缘电阻等重要参数。这些参数包括各个输出端口的电压、电流，所有的供电接口均进行了在线绝缘检测，能够实时监测水下设备电源安全性，防止由于绝缘问题导致的电源故障。
所有接口均进行了独立的电源隔离与信号隔离，可以保证在部分功能因故障受损后，其他功能的影响达到最小。所有电源均为隔离单路电源，互相之间不受干扰，且可以独立控制。内部通信采用了工业用串行总线形式，符合EIA规范所规定的物理层规范，能够在较高的速率，较低的误码率下接受和发送数据。
光端机输出的6根光纤经过CWDM融合为1根光纤，减少了脐带缆对光纤的压力。同时，水面光端机部分有着能够热切换光纤通道的开关，当发现某一路光纤信号衰减比较大时，能够实时进行光纤通道的时间，确保水下设备的通信不会中断，提高了安全性。
摄像头对于ROV来说，相当于ROV的眼睛，摄像头所能够获得视频信号的好坏，直接决定了ROV水下作业时的质量、效率以及后期处理时所能获得的数据。“海马”号ROV使用了HD-SDI接口进行视频传输，使得水面上能够获得1080I的超高清的图像信息，即视频信号达到了广播级水平。“海马”号ROV 采用的HD-SDI摄像头作为水下视频源。该视频信号通过了特制的水面接口传送进电子舱，信号通过了一个能够完成视频信号的物理隔离的隔离器后，信号被送入HD-SDI光端机。HD-SDI光端机能够将速度为1.485 Gb/s的信号快速的转换为光信号，并传送给水面部分。水面由1台42寸高清显示器供HD-SDI视频信号显示，1台HD-SDI的视频保存设备。
1.3.3 “海马”号ROV控制系统软件“海马”号ROV控制系统软件是完全自主开发，该软件以QNX实时操作系统作为开发平台，采用分布式设计，安装在主驾驶计算机和主控制计算机内。
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图 6 人机交互界面 Fig. 6 Human-computer interaction interfaces |
主驾驶计算机提供了可视化，可触屏操作的人机交互界面，如图6所示。人机交互界面产生的操作指令通过网络传到主控制计算机，然后通过它内部安装的MOXA卡发送操作指令到水面光端机。主控台和便携控制盒发送的操作指令也直接传送到水面光端机。水面光端机通过光纤连接到ROV的脐带缆，然后传送到ROV电子舱内的水下光端机，从而实现对ROV本体上的不同设备进行可靠实时的分布式控制。
控制系统软件可实现ROV的水下运动控制。ROV操作人员通过水面集装箱内的操作手柄控制ROV水平方向和垂直方向运动。该软件上还设计有自动定向，自动定高和自动定深等自动控制功能，在水下打捞，水下施工时可自动保持ROV的方向不变，距离水底的高度或距离水面的深度不变，方便操作人员控制水下机械手进行作业。
另外，控制系统软件能够监测ROV上的舱体是否出现漏水，如果出现漏水情况，软件会实时显示出具体漏水告警信息并通过声光信号提醒ROV操作人员，还能监测高低压绝缘情况和水面集装箱内的配电情况，一旦高低压绝缘值或配电参数值出现异常，软件都会实时显示出相应的告警信息，并通过声光信号提醒ROV操作人员；补偿器、深度计、高度计、电子罗盘、陀螺仪、加速度计等传感器的数据也可以通过软件实时记录。对这些数据进行分析，就能够获取ROV在水下某个时刻的具体相关信息。借助这一软件，技术人员曾经在海试时发现补偿器油量不足，迅速采取相应补救措施，保障了海试顺利完成。
除此之外，控制系统软件还能控制ROV上的云台动作，从而实现调整云台上的摄像机观察角度，还可以控制ROV上的卤素灯，LED灯和HMI灯的开关，这些对于水下打捞，水下施工时寻找水下目标物提供了极大的便利。时间值、深度值、高度值、航向值、缆转数、下潜次数、GPS或USBL提供的经纬度值等数据通过串口传输到视频字符叠加器，在视频画面上实时叠加这些有用信息，集装箱内配备有硬盘录像机，可以录制水下视频图像信息，方便以后进行回放和资料分析。
无论是在实验室水池试验阶段，还是在南海进行的3个海洋试验航段中，ROV控制系统软件都体现出了高可靠性和高实时性等特点。“海马”号ROV控制系统软件是我国国内首套完全自主开发的具有完全知识产权的ROV控制软件，为我国今后的ROV控制系统软件国产化作出了探索性的贡献。
2 结 语“海马”号ROV于2014年通过了“863”计划海洋技术领域组织的海上试验验收，最大深度达到4 502 m。“海马”号的研制成功，标志着我国全面突破了深海无人遥控潜水器的相关核心技术，具备了自主开发能力，是我国深海技术装备领域继“蛟龙”号载人潜水器之后取得的又一标志性成果。通过进一步推动”海马”号ROV示范应用和成果转化，将有力推动相关配套产业发展，在我国深海资源开发和深海科学研究等海洋科学领域发挥重要的作用。
| [1] | 任福君, 张岚, 王殿君, 等. 水下机器人的发展现状[J]. 佳木斯大学学报(自然科学版), 2000, 18 (4): 317–320. |
| [2] | 桑金. 观察型水下机器人ROV系统配置研究[J]. 海洋测绘, 2012, 32 (4): 81–84. |
| [3] | ABS. Rules for building and classing underwater vehicles. systems and hyperbaric facilities. 2002. |
| [4] | 汪小龙, 葛运建, 张建军, 宋光明. 一种基于分布式信息融合技术的水下机器人智能感知系统方案[J]. 机器人, 2002, 24 (5): 422–425. |