海洋监测作业系统

摘要：在目前海洋无人智能监测系统中，无人工程船相对于其他无人智能平台具有其独特的优势。由于水下环境的复杂性和不确定性本文设计了一个以USV为主体，添加ROV辅助监测取样的系统。本文利用三维建模，并进行有限元分析及运动分析构建联合型的海洋智能监测系统。

关键词：海洋监测;无人水面艇;水下机器人

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）07-0065-02

随着对海洋资源的持续开发利用，海洋科学研究和技术开发也快速发展。海洋环境监测技术作为海洋科学技术的重要组成部分，为海洋科学研究、海洋环境监测、资源探测、海洋灾害预警提供全面的、多层次的海洋科学数据，对海洋经济发展、海洋环境保护、保护人类生命财产安全也具有非常重要的意义。海洋监测系统是海洋监测技术的重要组成部分，它主要由海洋台站、海洋监测浮标、海洋卫星和海洋测报船等组成。我国海洋监测的方式按照海洋监测系统的组成主要分为三类：近岸固定台站式观测，主要是连续监测海岸带的海浪、海温、潮汐、风暴潮以及海洋气象等海洋现象;对于300平方千米的大区域海洋监测采用的是投放海洋观测浮标的方式，以获取气象数据和海洋表层水文数据。目前海洋无人智能监测平台的种类主要有：水下遥控机器人（ROV）、无人水下自主航行器（AUV）、无人自主表面船（USV）等，其中无人船相对于其他的无人智能平台有其独特的优势，无人船工作于海表面，它可以通过无线电波与其他系统进行长距离通信，扩大其工作范围;搭载不同的传感器它可以完成对大气、海表面以及深层海水的观测。本作品利用是以USV为主体，在其装备上添加一个独立自主的ROV模块，使其实现海洋无人智能监测，并实现海下取样工作。

一、总体设计

此海洋监测系统，主要由无人水面艇外加一个辅助的ROV构成。USV采用骨架式船壳制作模式，并设置压载水舱与密封舱，在保证船体结构强度与调整航行性能的同时，也提高航行器的抗沉性。ROV则由板架结构构成主要框架，亚克力，尼龙形成密闭的防水舱，两个水平推进器，两个沉浮推进器增加广度和深度。

其总体性能如下所示：

二、模块设计

系统控制：USV的控制主要采用Radeon 637C控制板与433增程模块组合进行控制程序的自主设计，其可将水面无线控制的距离由1.5km提升至8km以上。将arkbird AAT与5.8G声像传输系统相配套使用以提高图传传输距离与传输质量。使用Mission Planner地面站与3DR数据链进行数据的采集与记录，并进行航线规划与实时航态的监测。利用较为成熟且开源的APM控制技术进行控制系统的自主设计，并引入卫星导航、航线规划、3DR实时数据采集与记录等技术，以获取该USV在不同船型系数下的航行数据进而对其进行分析。ROV主要采用单片机控制，上下位机进行信号转换，以作为水面和水下信息的沟通媒介。视频设计：将5.8G图传、OSD、SJ400摄像头、视频切换器进行整合，得到高质量的光学图像信息，以便于实时了解与控制该USV的航行状态。将控制所使用的2.4G频率通过433增程进行降频与信号强化处理，使得该船只的远程控制得以实现，即超视距控制。作业设计：该系统的双体USV采用了骨架式船壳制作模式，并设置了压载水舱与密封舱，在保证了船体结构强度与调整航行性能的同时，也提高了航行器的抗沉性。稳固的结构使其能够装载更多精密的仪器对海洋进行探测。在USV中加载了地点警报与紧急返航装置，利用3DR数据链与OSD实时数据传输系统，可监测USV主蓄电池的电量，当低电警报时候可通过紧急切换开关启动备用电源，将船只开回，以免发生事故。ROV系统的电动机械手采用减速电机作动力，通过齿轮螺杆传动来完成夹持动作。气动式和电动式的都是自带动力的，气动式的需要气源，必须要有空压机或者有空压机站供给气源，可以在有瓦斯气体等危险气体场合使用。电动式机械手需要电源，但不需要气源等，比起气动机械手使用更加方便、省力。机械爪采用双曲柄的平行四边形机构，这种机构的对边长度相等，组成平行四边形，整个转动副均为整转副。当杆1作等角速转动时，杆2也以相同角速度同向转动，连杆3则作平移运动，以实现机械手的张合。

在必要的时候，ROV借载在USV上，通过USV的卫星导航进行路径规划，以实现联合作业。二者通过各自的控制系统进行协调配合运作。借助机械手的夹持及USV下放有缆挂钩完成打捞和深水探测的目的。通过控制机械手开合，可以实现水下抓取，采集样本、打捞和辅助管道铺设等任务。机械手通过缆线与下位机相连，通过上位机的电位器可以控制机械手的张合，还能调节张合的速度快慢。

三、功能应用

本系统定位于联合作业，强调了USV与ROV的联合作业，将二者优势有机结合，可进行水下沉底物打捞与定位、水面水下固定巡逻搜寻任务、不同水层、水域水本采样等工作。由USV可以利用GPS和北斗双系统定位，携带水下机器人至作业处，ROV可以搭载测量模块进行水下检测，通过多个摄像头观测水下状况，还可以用机械手的夹取动作完成简单的样本采集。打捞物品时由ROV进行水下探测，确定作业的确切位置，并进行周遭环境探测。ROV的沉浮和水平推进器协同运作，操作人员通过控箱上的显示屏控制机器人的运动。运动至需要检测位置，水平推进停止运作，控制沉浮推进器推力实现机器人在水中悬浮。机械手张合能够稳固的夹取物件，撷取样本。并将物件放至合适的位置。若目标重量较轻，可直接由ROV利用机械手夹持，将所需物品捞回岸上。若目标体积过大，质量过重，ROV无法单独打捞则由USV从船舱下放船载缆绳，并将船载缆绳拖吊至水下所需工作深度，将缆绳挂钩扣于被探寻物件合适处，借由USV上的缆机将该物件提升至水面或悬吊拖回。此种打捞方式适合大型沉底物的打捞任务，且可籍由ROV的定位系统将此沉物点记录下来，作为航行参考日志。本作品亦可运用于海洋监测。其不仅可以运用于水上检测，对于海洋监测也具有天然的优势。运用ROV和USV相配合的系统，能够有利的完成水体检测。USV可以搭载各种探测仪器。USV是一种新型的水上监测平台，其以小型船舶为基础，集成定位、导航与控制设备，可搭载多种监测传感器，以遥控/自主的工作方式，完成相关环境监测。ROV具有灵活的大深度水下运动能力，装备先进的水下动力、控制和机械系统，能在潜水员不能到达的深度与不安全的环境下进行水下检测和其他水下作业。ROV检测技术以其经济、安全、工作效率高、作业深度大，并能在恶劣的环境下作业等优点，在海洋工程结构的水下无损检测中得到广泛重视。同时，海洋石油工业正在向深海区域发展，对水下无损检测技术提出了更高的要求，为了提高效率，降低成本，海洋工程结构的水下无损检测越来越趋向于使用ROV检测技术。

USV稳固的结构上可搭载许多精密的测量仪器，以及利用绳缆结构副载ROV。可以自主的完成集成定位，利用导航与控制设备到达检测地点。USV完成水面上的检测，ROV则潜入水下，进行海底探测。如遇紧急情况，USV上的救生设备发挥作用，可将信号传输回指挥台。借助此联合的系统便于全面的完成水面与水底检测。

参考文献：

[1]李岳明.多功能自主式水下机器人运动控制研究[D].哈尔滨工程大学，2012-12-21.

[2]刘建成，万磊，戴捷，庞永杰.水下机器人推力器容错控制技术的研究[J].机器人，2003-03-28.

[3]金志贤.水下机器人推进器故障诊断技术研究[D].哈尔滨工程大学，2006-02-01.

[4]吴家鸣，郁苗，朱琳琳.带缆遥控水下机器人水动力数学模型及其回转运动分析[J].船舶力学，2011-08-15.