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ROV在海洋测绘中的应用

发布时间:2015-05-03 14:47来源:未知点击次数:
一、前言

      海洋资源的开发与利用涉及到很多方面,其中测绘领域的应用将为蓝色经济的发展提供宝贵的探测参考资料。发达国家在水下机器人探测技术领域已有很深入的研究,目前,美国、英国、法国、德国、挪威、日本等国家在这方面取得了很大成绩,美国著名导演詹姆斯卡梅隆打造出美国第一艘民间载人潜水器-深挑战者号,并成功下潜至海底最深处。我国尚处于起步阶段,与上述发达国家相比还存在巨大差距。水下机器人的种类样式较多、用途很广,目前有AUV(Autonomous Underwater Vehicles)、UUV(Unmanned Underwater Vehicles)、ROV(remote operated vehicle)等种类的水下机器人。根据体形大小、性能的不同在军事、渔业、海洋科学考察、深海探测、海洋工程、水下工程等领域都有重要应用。ROV(水下机器人)是当今世界上较为先进的水下无人遥控探测器,其特点是无人驾驶,所有的操作都是通过数据传输光缆与水面操作人员实现的。ROV上配备了光学相机和双频识别声纳能够以两种方式探测水下目标物。同时ROV作为一个载体可以对其灵活改进以适应各种不同作业要求。
      以往在海洋测绘中对用声纳、磁力仪以及多波束测量出来的水下不明物或浅点的分析时多采用潜水员下潜探摸的方式,ROV实现了代替潜水员下潜作业的模式。本文简要介绍ROV的软硬件组成、硬件的性能、软件的操作。着重结合千岛湖实验和天津港大沽灯塔塔基查看的实际资料,阐述ROV的应用。

二、ROV结构组成及软硬件性能

       ROV作为一个水下探测器其本身不能对任何水下物体进行测量。简而言之,它就是一个潜水器。其标准配置构成包括:黑白导航相机、彩色摄像、照相相机、卤素灯、磁罗经、推进器和电子仓等。ROV上面要搭载其它设备要根据不同用户的需要配置,天津海测大队所引进的ROV包括如下设备:
这里将一套完整的ROV分为以下几个单独系统:
(1)潜水、动力系统
        包括四个动力435W的推进器,两只75W的卤素照明灯,一个磁罗经。配置了HLK43000a型机械臂。核心部分是电子仓,所有的外部指令及自身的工作都要经过该集成电路的处理。
(2)操作、控制系统
        包括卷轴电缆、操纵杆、电源箱,核心部分是甲板单元上面有主机、光盘刻录机和显示器。是操纵人员监视ROV的运行参数和向潜水器发送指令的重要系统。甲板单元上操作人员可以得到ROV的深度信息(距离水面),自身的磁北方向。ROV的工作电压(DC 380V—410V)、工作电流(AC 0A-8A)以及ROV的湿度显示和温度显示,这些都是ROV运行中的重要性能参数。
(3)成像系统
        在潜水器系统中我们搭载了两种水下观察设备,包括黑白导航相机、彩色照相、摄像机在内的光学成像设备和浅水双频识别声纳(DIDSON)在内的声学成像设备。
(4)定位跟踪系统
       TrackLink1500MA(超短基线定位跟踪系统)是这套ROV的又一大特点,海底作业对ROV的整体安全产生影响的最重要因素就是海流。考虑到海下作业ROV的安全,配备的这套系统能够跟踪多达9个目标应答器。其原理就是将船的绝对位置坐标和船首向方位传递给TrackLink Navigator软件,采用极坐标计算方法进行基线解算,求得被跟踪目标的绝对坐标位置。该系统的方位定位精度优于1°,整体定位精度优于2.5m。
(5)导航和数据采集系统

       主要是由Qinsy软件实现的。该软件是一个功能强大的综合性软件,是多波束数据采集软件6042的升级版。主要实现潜水器导航定位,同时可接入测深仪实时显示ROV沿航迹方向上的水深情况。三、淡水、海水实验情况及分析

        2008年5月26日至6月10日,在浙江杭州建德市新安江水电站(千岛湖)淡水湖中进行了系统全面测试。主要包括:设备安装、联机测试、ROV设备各项性能指标测试、操控软件、超短基线定位软件、双频识别声纳软件、 Qinsy导航软件测试以及机械手功能测试等。
在整个实验期间对系统工作稳定性及各项功能进行了测试分析,见下表:

新安江水电站
定深功能 启动定深功能后能够保持在相应的水深处,初始状态下上下浮动变化较大,1-2分钟后在所需的水深处能保持定深。
水体密度对ROV上浮、下沉的影响 淡水的密度为1g/cm3,而一般情况下海水的密度取1.02g/cm3。海水的密度同时还受海水温度的影响。ROV在淡水中上浮下沉的反应速度要比在海水中快,定深的灵敏度下降,在淡水中即使将ROV的配重铅块全部卸掉ROV在没有任何动力情况下仍然会自然下沉。
航向功能 ROV内置磁罗经,自动航向精度达到±1%,能够保持在指定的航向上。
导航功能 采用GPS对船体绝对定位,定位精度取决于GPS系统定位精度。ROV的位置通过水下声学定位技术实现位置最标的计算。其定位精度一方面取决于GPS系统定位精度,另一方面取决于超短基线定位精度。超短基线的定位精度优于2.5m。
动力系统 前进、测推、上浮、下沉灵敏度较高。

        2008年8月16日至9月6日,对天津港大沽灯塔塔基及水下地形应用ROV系统全方位探测。在海水中检验测试ROV系统作业效果及系统稳定性。
经探测及测试,ROV系统在大沽灯塔水域作业效果及系统性能分析见下表:

天津新港大沽灯塔
定深功能 启动定深功能后能够保持在相应的水深处,上下浮动变化较小,稳定在所需水深处需要的时间相对较短。
水体密度对ROV上浮、下沉的影响 ROV在海水中需要配重两边共八个铅块,这种情况下ROV能在不加任何动力情况下悬浮在海面上,上浮、下沉过程缓慢,但定深功能稳定。
航向功能 能够保持在大致的航向上,左右有一定的摇摆,发出定向指令到完成定向功能动作缓慢。
导航功能 和在淡水环境上一样,定位精度上没有变化。
动力系统 前进、测推、上浮、下沉灵敏度下降。
       
        根据上述千岛湖测试及大沽灯塔探测分析图表得出以下结论:

(1)海流对ROV定向、定深以及动力控制都有很大影响。千岛湖水质良好,是“天然游泳池”。湖区内几乎不受风浪的影响,因此ROV在水中运动不受外界阻力影响。海水的涨落潮加之海风和地形的综合影响使得ROV在海上的操作自由度受很大影响。

(2)水体环境对ROV成像清晰度有很大影响,渤海海域以至于整个北方海区的水体透明度都很难于千岛湖水体相提并论。在相同水深处不同水体环境下能见度情况比对见下表:

  千岛湖 天津新港大沽灯塔
1m-5m 8m-10m 0.5m-1.5m
5m-10m 4m-5m 0.5m-1m
10m-20m 2m-3m 0.5m以内
20m以下 2m以内 几乎看不到
 
        由上表可见,在海水环境中光学成像效果是比较差的,因此当今世界水下机器人重点利用的还是声学成像方式,各国都很重视ROV在海水下面成像视程这一课题。
        ROV是当今世界海洋探测和科学考察领域较为先进的技术手段,它的问世标志着人类可以向更加广阔的海洋深水领域进军。ROV的优势在于轻便、微型化、便于操作,重量是大型水下机器人的1/10或1/20。更重要的是它的出现代替了潜水员的部分工作,海上工作更加安全。但ROV上处于发展的初级阶段,到如今ROV的发展才经历了30年左右的时间。ROV自身还存在很多技术上的难题,其中水下目标的识别于探测技术就是有待人类解决的一大课题。随着科技的不断进步,新技术新理论必将应用到海洋科学研究中来,造福人类。

四、ROV水下目标的探测与识别技术展望

        水下目标的探测与识别对于ROV水下作业来说是至关重要。水下机器人要完成所赋予的使命,就必须获取各种环境信息,特别是水下目标的信息,操作人员依据此做出作业决策。根据水下的环境特点,常用的水下探测设备是声成像和光成像传感器。其中,声成像传感器占有主要地位,也是国内外研究的重点。目前,应用在智能水下机器人上的声成像传感器主要有高低频合成孔径声呐(双频识别声纳)、侧扫声呐、前视声呐和三维声成像声呐。光在海水中的衰减比在空气中快得多。光在水中传输的能量按指数规律迅速衰减,使得光学图像对比度产生严重的灰白效应,色彩失真,视程大大缩小。为了弥补微光成像系统的不足,各国十分重视水下激光成像技术的研究。理论推测激光成像距离可以达到12个衰减长度。国外在智能水下机器人上采用了激光线性扫描系统,作用距离相对较大,因而特别有价值,国内也积极开展这方面的研究,取得一定的研究成果。
综上所述,由于海洋环境复杂,获取水下目标信息的手段十分有限。声探测距离远,所以仍是目前的主要手段。而对于依靠声图像的目标识别仍然有难度。根据水声专家的预测,依靠声反射特性可能是解决识别的正确途径。另外,激光成像具有微光成像的特点,距离又增加,是一种比较理想的手段,然而要满足对水下目标识别的要求,仍然有不少技术难关需攻克。

五、ROV在未来海洋测绘中的应用展望

       随着科技的不断进步,ROV在自身的硬件上会有不断的革新,我们有理由期待改进后的ROV能够更加适用于海洋测绘。理由如下:
1、目前的ROV我们只能得到其到海平面间的距离,可以在ROV上安装单波束测深仪,能够实时得到ROV相对于海底的距离,同时可以反映一部分海底地貌起伏变化的特征。
2、在ROV上安装多波束测深系统,并且将后处理的海底三维立体图导入ROV导航软件中做为ROV操舵手的背景底图,能够时时得到ROV的空间位置信息,那将是革命性的创新。要想实现这一点,首先要解决多波束后处理出的图形矢量合成的问题。
3、定位导航技术有待技术革新。目前我们采用的导航技术主要是依靠超短基线,此外还有长基线、短基线定位方式。这些定位方式方式都只局限于一定范围内精确导航。国外目前多数采用小型惯性导航系统对水下机器人实现精确定位。然而这项技术国内还没有办法实现,国外对我国还实行禁运政策,因此需要广大科技工作者不断努力突破技术上的堡垒。

六、结语

        我国有着绵延18000余公里的海岸线,是海洋资源丰富的大国。加强海洋科学投入,必将是一项有战略意义的工程,需要投入大量的人力物力。需要政府牵头,学校提供理论支持,企业承担实践平台。水下机器人技术领域需要不断的拓宽和加深,因此攻克关键技术上造成的瓶颈是科技工作者共同面对的。在发展新技术的同时要防止低端技术的重复研究开发,避免人力、物力、财力和时间的浪费。


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