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青島趕海機器人有限公司
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一、引言海底檢測技術在過去的數年有了長足的進步，但海底作業效率和成本一直是行業關注的重點之一，再加上海底基礎設施數量的猛增，對海底資產普查的方法需要不斷創新，解決方案既要改善成本效率，還要保證數據質量，并且能夠未來的技術平臺
海底檢測技術在過去的數年有了長足的進步，但海底作業效率和成本一直是行業關注的重點之一，再加上海底基礎設施數量的猛增，對海底資產普查的方法需要不斷創新，解決方案既要改善成本效率，還要保證數據質量，并且能夠未來的技術平臺。 為此，我們開發了C19型快速ROV--海底快搜獵頭鯊，其檢測效率可以達到傳統ROV的2倍，也兼顧AUV的很多優點，還毋需拿上拿下來回充電＋后處理，不容易丟，是當前中淺海的的海底快搜模式，一個航次，省下的船費就很令人心動。 就海洋作業而言，降本增效是必要的前置條件，為此我們開發了這款兼顧ROV和AUV優點的復合產品。C19型快速ROV幾乎可以搭載大部分的聲學設備，各種聲吶傳感器，還可以搭載高清攝像頭、靜態照相機，包括管纜搜索器，監控數據實時傳送、在線處理，發現疑點可以立即停船，被動拖航和主動搜索立即轉換，是水下比較理想的海洋儀器平臺，它在水聲儀器和海底檢測之間搭起一個很好的橋梁，提高了海底檢測、搜索的效率。 C19型快速ROV可對海底的狀況進行實時收集、處理和視像化，并為搜索、測量、物探和地質工作提供快速服務，尤其適合海上油氣、風電等的海底管纜維護檢測，甚至是海底軍事搜索。能夠長時間的進行高效水下作業，通過臍帶控制水下ROV有效運行。流線型的動力外形有效降低了水流阻力，被動拖曳和主動搜索兩種模式即時轉換，被動拖曳時在5節水流下也具備良好的水下深度、姿態、航向控制能力。 海底管道是海上油氣田的重要組成部分，由于長期在海洋復雜環境下工作，易受漁業活動、地質災害等各種復雜因素影響，出現懸空、平面位移、管體損傷等情況，因此準確探明海底管道的狀態和位置，可用來預防和排除海底管道的安全隱患。 傳統的水下管道檢測方法是使用DP2支持船和工作級ROV，通過拖曳式側掃聲吶或淺剖，用ROV定點檢查的工作模式。由于ROV框架式的方外形阻力很大，水下速度只能在1.5節以下，并且在強海流條件下容易受到干擾，調查活動完后造成的船舶和人員耗費巨大。深海采用自主水下航行器AUV近底檢測已經很成熟，但價值不菲且容易丟失，功能也不如ROV可靠。另外，一般較小的自主水下航行器不適宜安裝大型傳感器，如管道跟蹤器對導航精度有很高的要求，仍然離不開母船支持，并且需要來回充電和讀取數據，進行后處理，發現問題再回到疑點處采用ROV復查。 采用快速ROV可以以5節的速度進行拖航檢查，并且能適應6節航速度進行聲學數據傳輸，可以適應6級的惡劣海況，作業窗口期大為延長。 二、作業方法 采用側掃、淺剖和傳統ROV攝像，ROV在清水區搭載高分辨率攝像機和超高解析度靜態照相機，在渾水區采用三維成像聲吶。配備UHD超高解析度靜態照相機、4K高分辨率攝像機和水下三維前視聲吶，能提供更好的管道勘察的數據，形成更快速得數字圖像，見下圖所示。 快速ROV巡檢效果圖 作業流程通常是先使用側掃聲吶和淺地層剖面儀采用大量程低分辨率對路由區進行“普掃"，發現疑似點再采用小量程高分辨率進行“精掃"，然后降低高度進行探測，甚至從兩側沿著海底慢慢抵近觀察，獲得靜態清晰資料，通過對比管道位置變化，判斷管道可能存在的問題和具體位置。如果管道沒有裸露，具備一定埋深，可以配裝TSS440貼底爬行進行檢測。采用TSS440同樣可以探明其它埋入泥沙的金屬或者導電物體。 C19型快速ROV幾乎可以搭載所有形式的調查傳感器，以較快速度進行測量，更具備優勢的是在線實時顯示功能，發現問題可隨時切換成局部多角度精細檢查，完成后也可隨時切換成路徑普掃。搭載TSS440的C19型快速ROV見下圖所示。 搭載TSS440的正視圖 搭載TSS440的側視圖 搭載TSS440的C19型快速ROV的腹部特寫 三、主要技術特點 C19型快速ROV是專門為中淺海、渾濁、激流水域設計的一種快速巡檢海底管纜的水下機器人，為了提升水下檢查速度，C19型快速ROV在設計上做了以下技術改正： ⑴快速ROV兼顧普通ROV和AUV兩者特點，AUV的外形，ROV的操控，效率大為提高。 ⑵具備快檢和細查兩項功能，一個航次既可查清問題，節約工期和出海費用。 ⑶減少海水阻力，C19型快速ROV將外形設計成飛機一樣流暢的水動力布局，推進器進水通道布局合理。管道聲學測量工作設計時速5節，可以適應6級惡劣海況，為普通ROV或者AUV檢查速度的2～3倍。 ⑷采用碳纖維外殼，輕而堅固，便于上下船吊放作業。 ⑸實時在線檢查提供海底檢查數據，遙測數據通過光纖同步傳輸至水面監控站。發現問題可以及時停車投入定點詳細檢查，細查結束又可馬上恢復快檢。 ⑹光纖傳輸，信息和數據的傳遞和交換帶寬大，采集的資料質量高。 ⑺為了有效控制水下高度的穩定，采用核潛艇的上圍殼設計，布置可調水平翼和方向舵，隨時根據海底測距聲吶數值調整水平翼和方向舵角度，像飛機一樣在海中流暢穿行。主動搜索和被動拖曳時方向舵可以360°適應轉向。 ⑻前段設彈性防撞導流罩，減少阻力，防止不小心撞壞。 ⑼底面下開設不同部位的孔槽，方便安置不同功能傳感器。同時安裝多個傳感器，一個航次解決很多問題。 ⑽配備10個大推力螺旋槳。其中 4個水平矢量布置，負責前后、左右等水平方向任一角度平動，還可左右轉彎；另外4個垂直布局，負責上下升降移動，還可調整本體爬升俯仰姿態，水中定點詳細探查時具備穩定懸停能力。后置兩個加強前行推力。 ⑾復雜的多推進器設計，在軟件的輔助下，可有效克服海流對拖體造成的偏航影響。 ⑿設計成飛機起落架外形的海底爬行履帶，可以在背部4個垂直推進器的作用下形成抓地力，依靠履帶附著海床上抵近觀察，形成穩定清晰的錄像畫面。一些受破壞的海域可能存在強水流。本機還可以在4個水平矢量推進器和尾端2個加強推進器的綜合作用下，抵御強水流。 ⒀重心和浮心布局合理，適應水下高速穩定航行。 ⒁采用控制軟件，可以原地轉彎和左右移動，并可精準控制離地高度，能修正航向對準測線，大量節省了轉彎和對準測線時間，測量精度高。 ⒂三維圖像模型還可以使用戶更好地了解管道及其附屬結構與海床的關系，給施工修復帶來極大方便。 ⒃可以搭載更多的傳感器。包括以往的傳感器（MBES，SSS，HD攝像機，管道跟蹤器）和新傳感器（UHD靜態攝像機，激光標尺，三維激光成像儀，超高清攝像機）等。 ⒄動力充足，可滿足復雜的探測設備和較大的作業供電。 抵近觀察，拍攝三面同步高清影像效果（圖片來自于網絡） 四、設備組成結構 1 產品配置 ⑴水深耐壓等級：500米； ⑵推進器數量10個，水平4個，垂直4個，后尾加強2個； ⑶海底爬行履帶2條； ⑷拖纜長度：標配1000米(可根據要求加長至2000米)； ⑸搭載能力：（空氣中凈重）60Kg； ⑹總功率：220/380V 20KW； ⑺體積尺寸(mm)：2580×960×730(長×寬×高)（高度不含天線）； ⑻前進推進力：100kgf； ⑼垂直推進力：60kgf ⑽空氣中重量：約350KG； ⑾配備前視主攝像頭：4路200萬實時無延遲高清低照度星光級彩色攝像頭； ⑿高清攝像頭：超高清4K攝像機； ⒀高清照相機：超高解析度靜態照相機 ⒁水下閃光燈：兩側分布共2路； ⒂照明系統：4路高亮度LED汽車級遠光大燈； ⒃控制箱顯示器：飛利浦19寸高清顯示器 2個（1主控，2參數）； ⒄配套光電復合纜拖曳能力：3噸； ⒅配套光電復合纜破斷能力：6噸。 2 結構組成 1、前端左右旋轉照明攝像裝置；2、三維前視聲吶；3、海底測距聲吶；4、淺地層剖面儀；5、激光標尺；6、閃光燈；7、后端左右旋轉照明攝像裝置；8、超高解析度靜態照相機；9、超高清4K攝像機。 腹部搭載設備示意圖 10、防撞導流罩；11、垂直推進器；12、ROV本體；13、起吊鉤；14、垂直穩定翼；15、方向舵；16、調控水平翼；17、水上衛星定位；18、尾拖加強板；19、矢量水平推進器；20、控制拖纜；21、加強推進器；22、海底爬行履帶；23、兩側平衡附體。 C19水下機器人主體結構圖 五、搭載設備應用場景 巡檢油氣管線性價比比較好的方案是粗掃采用掛側掃聲納＋淺地層剖面儀等聲學設備，也可考慮增設三維前視聲吶。細查采用抵近觀察，清水區用超高解析度靜態照相機拍照，同時用超高清4K攝像機進行視頻拍攝，渾濁區只能用兩維或者三維前視聲吶。埋深較深時可考慮掛載TSS440管纜跟蹤器。下面就來簡要說明三類搭載設備的應用場景。 ⒈ 側掃聲納 側掃聲納主要用于探測出露和懸空的海底管道。 ⒉ 淺地層剖面儀 淺地層剖面儀生成的圖像可用于識別淺部地層產狀、內部結構，各種淺層災害地質因素，而且還能夠判斷海底管道等埋藏物與海床的空間位置關系，確定其埋藏深度或裸露高度。 海底底質、氣水界面、外界噪聲、海況等多種海上環境因素對探測效果有較大影響。有人實踐證明，使用淺地層剖面儀探測管徑小于101.6mm的管道效果較差。在探測直徑較小或者埋深較大的管道時，應適當降低船速、降低距離海底高度，一般距離海底4～8m為宜，調查過程中拖纜長度應大于探測深度的3倍以上。 ⒊ TSS440管纜探測器 TSS440管纜跟蹤器是世界上的海底管道、海底電纜跟蹤器之一，又叫探測器、定位器，是一種采用電脈沖感應原理的水下金屬探測工具，在水下能找到埋地10米的金屬管道或者電纜。其特點是工作要盡量貼近海底，是0.5米以內，探測器與本體保持2米以上距離，而且有嚴格的導航精度要求，因此沿著海底穩定爬行非常必要。 TSS440是一種在金屬探測方面比較創新的發明，無所謂金屬，甚至可導電的其它物體是否暴露或者埋藏在海地面以下，都可以探測到。工作原理是通過向三組線圈發送交變的電流，產生交變的磁場，感應被探測金屬上產生交變電流，從而在金屬周圍又會產生交變磁場，又可以反過來感應440上的的三組線圈，通過探測3個通道各誘發交變電流的大小，可以決定金屬相對水下機器人的位置。事實上線圈感應的是線圈到金屬的距離，而安裝的高度計感應的是高度計到海地面的距離，只要預先輸入線圈到高度計的距離補償，就可以通過簡單的加減計算出電纜到海地面的距離，也就是金屬的埋設深度。 TSS440顯控軟件界面 六、搭載淺底層剖面儀探測的施工流程 作業前，根據施工圖坐標進行拖船的路徑規劃，將ROV吊放至工作海域，拖放入軌正常后通過ROV頂部的北斗信號裝置進行位置校準，進行快速普掃，根據需要釋放合適長度拖纜，并設定離地工作高度，然后自主走航測量掩埋管線。當普掃時發現可疑點，即刻停船，操縱拖船上的纜車釋放合適長纜，控制ROV向后航行至可疑位置，緩慢降低高度，對疑似區域盤旋攝像，然后在一側落地，并背部噴水產生向下抓地力，用履帶驅動，慢慢靠近進行精細拍攝；拍完后起飛，落到另一側，同樣履帶驅動進行精細拍攝，這樣既可獲得詳盡的清晰錄像資料。然后升空至合適離地高度，繼續開動拖船進行普掃。普掃結束，回收ROV到船上。 快速ROV可以在多種測量方法之間進行轉換，只需要對傳感器配置進行微調，實現一臺機器解決多種問題。這種切換非常簡單，只需要轉動相機俯視角度，降低機器的高度，在快速高清攝像模式和三維激光成像模式之間切換，或者增設管線跟蹤器，可以無縫地從局部管道檢測模式切換到普掃路徑檢測。 七、施工中需要注意的問題 海底巡查采用水面船拖曳，其拖纜底端的拖體要保持在距海底5米的高度上航行，拖纜的長度一般應為深度的3倍。對于300m的水深，其拖纜長1000。在這樣長的拖纜下，拖體容易受海流影響偏離預定航線。偏移距離甚至可達幾十米，會偏離預期探測目標。當海底起伏不平時，要適當降低船速，提高距海底的高度。高度增加，數據質量會變差；高度減少，將限制其探測的交叉覆蓋率，并增加與海底碰撞的危險。要根據現場情況靈活掌握。 新進的調查技術也同樣帶來了新挑戰，通過快速ROV高速度獲取的大量數據，要保持高注意力的跟蹤，以便跟上檢測速度，同步準確進行識別并做出提示，以及去除大量無效重復信息。 快速巡檢ROV示意圖 快速ROV希望能幫助您迅速完成海洋探查和海洋信息搜索，為您的海洋科學研究提供有效的技術檢測手段和好用裝備。 【圖片說明】配置TSS440系統的插圖為升級版，突顯了方向舵和短基線水聲定位系統SBL，采用了不同顏色加以區分；配置TSS440系統的快速ROV沒有對應配置動畫。少量資料和圖片來源于網絡，并進行了適應的剪裁。
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