王升浩 张 焱 黄大权 牛国瑜 崔新忠＊

（大连海洋大学信息工程学院，辽宁 大连 116023）

0 引言

据统计全球各个地区，已经铺设了几十万千米的水下油气管道。随着科技的不断发展，社会的不断进步，海底石油、天然气和电力管道和通信电缆网络还会不断地增加，为了保证这些海下运输纽带能够安全正常地进行工作，需要对这些管网进行定期的检测和维护。因此，利用水下机器人对水下设备管道进行巡检维护已经成为一种共识。

自20世纪末，国外就已经开始了针对水下管道检测和跟踪的实验研究工作。他们在智能水下机器人技术的基础上开展了海底管道的辨识及利用管道进行导航的试验研究。我国从20世纪50年代开始相关的研究工作。目前，在实验室环境下已经对水中管道进行自动监测和跟踪的试验研究[1]。沈阳自动化研究所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等科研院所在实验室条件下，可以实现管道的自动识别、跟踪和检测。

1 水下巡管机器人设计

1.1 基础设计

1.1.1 推进器

推进器系统对于水下机器人特别重要，目前水桨作为推进器，少量系统采用滑翔式或喷水推进。螺旋桨的类型有固定、可变倾斜、对转等[2]。

1.1.2 照明设备

在水下拍摄时应该选择波长较短的光源。但同时也要考虑到海水不是纯净水，里面存在很多浑浊物，其透明度不好，导致光在海水中散射现象很严重，而散射现象会随着照明强度增大而增大，此时就应该考虑波长适中的光源。只有综合考虑水下的各种情况和状态，才能充分选择出合适的光源，得到最优的照明效果。

图1 固定螺旋桨

图2 可变倾斜螺旋桨

图3 对转螺旋桨

现今水下照明的光源多采用碘化铊灯、LED灯、氙灯等。我们通常使用的白炽灯在水下拍摄的能见度较差，其原因在于白炽灯的辐射光主要集中在红色区域，在水下会表现出衰减大、效率低等问题。LED灯的效率基本与碘化铊辐射光的效率相同，其辐射光也在蓝与绿的区域内，较容易通过水，因此，在水下环境得到广泛的使用。

1.1.3 能源系统

能源是限制水下无人航行器作业的主要因素之一，通常限定航行器的任务参数，如续航能力、速度、工作深度和任务载荷。水下机器人能源系统采用蓄电池、燃料电池、太阳能电池和热气机等，使用以保证航行器具备安全航行和作业任务所需的独立能源。由于尺寸和安全的需求，蓄电池是水下机器人采用的主要能源方式。

1.1.4 通信系统

水下无线通信技术主要可以分成三大类:水下电磁波通信、水下量子通信和水声通信，它们具有不同的特性及应用场合，如表1所示。

无法跨越水与空气界面传播，受温度、盐度等参数影响。

1.2 流速传感器

图4 红外传感器

采用四个流速传感器组合，测量水中的流速矢量，提高机器人水中运动的准确性和可靠性。

图5 流速传感器

用多个红外传感器与视觉识别相结合减少来自水下光线不佳产生的干扰，通过对传感器所构成的巡管模块的程序编写直接对水底管道进行巡管。目前市面上的流速仪有很多种，有传统的旋桨式的流速仪，也有声学的流速仪。

2 水下环境感知技术

2.1 水下环境感知技术

水下环境感知技术是指智能水下机器人通过搭载的光学和声学传感器对未知区域进行环境识别，由于水下环境自身的特殊性，使得智能水下机器人在环境感知方面的研究进展较慢。水下环境感知技术主要分为声呐目标探测技术和光学目标探测技术，其中常见的技术是声呐目标探测技术[3]。

表1 水下通信技术

声呐目标探测技术:主要指利用声呐原理和声呐系统设备对水中目标进行探测的技术。按照声呐的原理我们可以将其分为声呐目标主动探测技术和声呐目标被动探测技术。

有目的地主动从系统中发射声波的称为主动声呐，利用接收换能器基阵接收目标自身发出的噪声或信号来探测目标的声呐称为被动声呐。

目前，安装在ROV机器人本体上的探测声呐主要使用的是前视声呐、侧扫声呐、剖面声呐、多普勒声呐和声相关声呐、通信声呐等[3]。

2.2 载体模块化设计

由载体结构、控制系统、导航系统、能源系统、推进系统、通信系统和任务载荷等模块组成。先进设计制造技术应用在智能水下机器人，主要体现在载体的模块化方面。目前，大多数智能水下机器人都是载体外形一体化，在外形设计上主要考虑外形的水动力性能，而内部设备则是进行模块化设计。

同时，为满足水下密封和承压的使用要求，他们通常使用耐压舱结构，耐压舱结构多为球壳结构和圆柱壳结构。

利用水下机器人进行水下管道的检测最重要的是要对其进行可控式的移动，所以应首先确定水下机器人的驱动模块，根据动力来源可以将驱动系统分成两大类：主动式和被动式。主动式机器人就是具有自主移动能力的机器人，而被动式的机器人不具备自主移动的能力，本项目所研究的水下巡管机器人是在针对水下管道的外面作业，因此，驱动模块部分的设计应选主动式系统去设计。

对于机器人运行而言，通信模块是机器与上位机系统进行信息交流的媒介，选用通信模块的主要依据就是通信快、距离远、信息传递准确。目前，比较流行的通信方式有Wifi、蓝牙、通信光纤、无线网、ZigBee和NFC等，它们都有各自的优缺点[3]。考虑到水下机器人传输距离远，数据传输速度快其必须满足通信讯号稳定的要求，我们选择通信光纤方式。机器上所配置的通信模块体积小，便于安装，能嵌入到大多数的产品中去，支持多种模式，也支持AT指令，有利于编程。

除上述构成水下机器人必不可少的系统模块外，实现以水下机器人为载体去实现水下巡管功能，必须搭载多个传感器所构成的传感器功能模块。机器人在水下通过各类传感器来获取外界信息，如摄像头获取图片信息，将信息通过连接通信模块实时传输以实现与上位机视觉结合的功能；压力传感器可以获取外界的压力信息，感知水下液体对自身的压力变化来做出对应的调整。选择何种传感器要根据机器人在水下工作所要实现的功能来决定，摄像头必不可少。

由于水下探测会遇到水下光线昏暗，可见度不高，再加上水的液体特性，传统的陆地巡管手段并不能全部适应于水下环境等问题，我们在基于水下机器人现有的功能上，设计增添四个红外传感器与视觉识别相结合的创新方法以减少来自水下光线不佳产生的干扰。同时依托于红外传感器使用的红外线探测技术，我们可以更加精确地找到管道在水下的布局与构造。

3 水下机器人在巡管中的应用

水下管道大部分采用无缝钢管焊接和使用法兰等连接装置连接成长距离管道，并使用阀门进行开闭控制和流量调节。ROV因具有实时响应、扩展性强、可减少潜水员下水危险性等特点，逐渐凸显出其优秀的水下工作潜力[2]。水下机器人依靠自身所搭载的传感器以及可操作性，可以在水下管道检测方面发挥巨大作用。

基于水下机器人现有的功能，为了能让其实现水下巡管所增加的巡管模块去实体海域进行测试，结果表明我们所创新设计的巡管模块安装后可以充分地完成对浅海海域的水下管道的检测并且可以实时输送清晰的图像反馈给上位机。而我们所设计的由四个流速传感器所构成的移动优化功能，相较于之前未安装的设备，在消除外界水流影响方面有着一定程度的改善，使得水下管道的检测更加高效。

4 结语

当前国内部分行业针对日常刚需的巡检工作中诸多问题一直不能很好地解决，如危险环境、人员安全、紧急处理、成本消耗等，针对这种情况，水下巡检机器人的角色就显得尤为必要。本次所设计水下巡管机器人，经测试，实现了一定程度上的管道巡检功能，为今后打造全方位无盲点智能化和自动化程度高的水下机器人来替换人力巡检验证了其可行性。