深海作業(yè)型帶纜水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)綜述

吳 杰, 王志東, 凌宏杰, 姚震球

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

水下機(jī)器人具有安全、經(jīng)濟(jì)、高效等眾多優(yōu)點(diǎn),能夠在高深度和危險(xiǎn)環(huán)境中完成海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底管道和電纜鋪設(shè)以及深海采礦采油等諸多工作,是開(kāi)發(fā)海洋資源的重要工具．深海采油作業(yè)環(huán)境惡劣、任務(wù)指令復(fù)雜、水下擾動(dòng)難以預(yù)測(cè)．帶纜水下機(jī)器人(remotely operated vehicle，ROV)具有靈活的大深度水下運(yùn)動(dòng)能力,較強(qiáng)的續(xù)航力,可裝備先進(jìn)的水下動(dòng)力、控制、機(jī)械及通信系統(tǒng),代替潛水員進(jìn)入較深水域或危險(xiǎn)環(huán)境中工作,提高資源利用率和作業(yè)范圍,降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和成本．ROV享有“深海之眼”之美譽(yù)[1]．

21世紀(jì)開(kāi)始,人們對(duì)深海石油進(jìn)行了規(guī)模指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的開(kāi)采,地點(diǎn)向淺海(小于400 m)、再向深海(大于1 800 m)逐漸轉(zhuǎn)移(圖1)[2]．深海能見(jiàn)度極低(光線無(wú)法滲透)、溫度極低(0～3°)、壓強(qiáng)極大，作業(yè)環(huán)境極其惡劣,人體和普通設(shè)備很難順利完成任務(wù)．由于深海含鹽量較淡水區(qū)域高,下潛深度將直接影響到結(jié)構(gòu)浮力特性．據(jù)估計(jì),在淡水中重約100 kg的機(jī)器人在深海中將多出額外約3.5 kg的重量[3]．深海ROV研發(fā)充滿挑戰(zhàn)．

圖1 內(nèi)陸與海上石油開(kāi)采量分布[2](John,2013)Fig.1 Onshore vs. offshore oil production map (John, 2013)

ROV是深海采油采氣作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵伙伴結(jié)構(gòu),其運(yùn)動(dòng)控制精度和可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率．水下機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)涉及到多個(gè)領(lǐng)域:結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)以及控制原理等,是典型的跨學(xué)科研究門(mén)類．系統(tǒng)各部分需要統(tǒng)籌設(shè)計(jì),合理論證．國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)水下機(jī)器人開(kāi)展了大量卓有成效的研究．文中針對(duì)帶纜水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行概述,從水下機(jī)器人總體設(shè)計(jì)、水動(dòng)力性能、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制以及深海作業(yè)裝備等方面展開(kāi)討論,著重闡述目前水下機(jī)器人發(fā)展的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題．

1 作業(yè)系統(tǒng)概述

如圖2,現(xiàn)代ROV完整作業(yè)系統(tǒng)一般由水上控制單元(SCU)、起吊回收裝置(LARS)、中繼管理系統(tǒng)(TMS)和水下機(jī)器人本體(ROV)等四部分組成．SCU主要包括電源變壓器、操縱桿和顯示器等,由機(jī)器人操作員直接控制,通常布置在水上母船內(nèi)．LARS負(fù)責(zé)起吊并回收水下作業(yè)設(shè)備,所裝載的臍帶纜長(zhǎng)度關(guān)系到機(jī)器人的下潛深度．TMS是一種由兩股纜繩連接的殼體中介設(shè)備,稱為“中繼器”．中繼器可用于儲(chǔ)存和收放中性纜的裝置,用來(lái)消除或減小來(lái)自水面母船運(yùn)動(dòng)對(duì) ROV 的影響,并增大機(jī)械手的作業(yè)半徑,保證安全及作業(yè)．與LARS連接的上股纜繩稱為“臍帶纜”,外層是抗腐蝕金屬包片,內(nèi)層主要由各種電纜、光纖和泡沫填充物構(gòu)成．臍帶纜既負(fù)責(zé)水下動(dòng)力和控制數(shù)據(jù)的傳輸,也承載設(shè)備起吊和水流引起的拉力、剪力和彎矩．與ROV連接的下股纜繩稱為“中繼纜”,通常比臍帶纜細(xì),直接與機(jī)器人控制模塊通訊．TMS工作時(shí)下沉至機(jī)器人作業(yè)地點(diǎn)附近,姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定,可降低水流和波浪對(duì)機(jī)器人的影響．ROV是整個(gè)水下作業(yè)系統(tǒng)的核心,通過(guò)臍帶纜獲得本體所需動(dòng)力,上傳傳感器信號(hào)和下傳控制信號(hào),完成水下任務(wù)．

圖2 深海ROV水下作業(yè)系統(tǒng)示意[4]Fig.2 Working system of deep-sea ROV

2 研究現(xiàn)狀

2.1 帶纜水下機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ROV設(shè)計(jì)與研發(fā)可追溯到20世紀(jì)60年代．為了尋找遺失的核彈,由美國(guó)海軍資助的第一臺(tái)CURV(cable-controlled underwater recovery vehicle)研制成功．隨后,類似的機(jī)器人技術(shù)被引入到海洋油氣開(kāi)采項(xiàng)目中．到20世紀(jì)80年代,單用途ROV技術(shù)在深海開(kāi)發(fā)和建設(shè)中已較為成熟．自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,ROV在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底管道和電纜鋪設(shè)以及深海采礦采油等領(lǐng)域空前繁榮．各國(guó)都致力于水下機(jī)器人的研究,并成立了專業(yè)機(jī)構(gòu)．國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)包括沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)以及江蘇科技大學(xué)等．

ROV結(jié)構(gòu)通常設(shè)置有整體支架、浮體填充物、數(shù)據(jù)管理模塊、多自由度機(jī)械手、水動(dòng)力推進(jìn)裝置、云臺(tái)攝像頭和照明燈，以及各種傳感器和加速度計(jì)等[5]．按照輕便化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,整體支架一般采用鋁/鈦合金材料．浮體填充物通常采用復(fù)合泡沫結(jié)構(gòu)．這種材料水下安全性高,能提供足夠的浮力,使機(jī)器人在海底自由活動(dòng)．推力裝置是機(jī)器人水下航行的動(dòng)力來(lái)源,可由幾組提供不同方向推力的水下推進(jìn)器構(gòu)成．這種推進(jìn)器主要有電動(dòng)馬達(dá)、涵道螺旋槳、齒輪組以及軸系密封罩等．水下機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一．對(duì)于作業(yè)負(fù)荷較重、本體下潛較深的情形,水下機(jī)械手需要專業(yè)液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)．在結(jié)構(gòu)布局上,通常將浮體置于機(jī)器人最上方,較重結(jié)構(gòu)置于支架墊板上,而推力裝置放在整體中部．這種布局使得推進(jìn)器所產(chǎn)生的推力作用點(diǎn)作用于整體結(jié)構(gòu)浮心和重心之間,不僅能為水下機(jī)器人提供較好的水動(dòng)力穩(wěn)定性,同時(shí)也優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)剛度．目前大多數(shù)作業(yè)型水下機(jī)器人多采用以上設(shè)計(jì),而小型機(jī)器人設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)多樣,在不同領(lǐng)域應(yīng)用廣泛．

近十年來(lái),國(guó)外工業(yè)用途水下機(jī)器人已完成商業(yè)化,用途也多種多樣．美國(guó)Oceaneering公司為深海油氣開(kāi)采設(shè)計(jì)了一系列水下機(jī)器人,包括偵查型、作業(yè)型以及重型作業(yè)型等．Spectrum為偵查型機(jī)器人,重290 kg,尺寸1.4 m×0.9 m×0.85 m(長(zhǎng)×寬×高,下同),設(shè)計(jì)下潛深度3 000 m,配備有4個(gè)水平矢量推進(jìn)器,2個(gè)垂直推進(jìn)器以及6個(gè)交流電機(jī),2個(gè)五功能機(jī)械手．E-Novus為典型油氣作業(yè)型水下機(jī)器人(圖3),重3 400 kg,尺寸2.7 m×1.6 m×1.8 m,設(shè)計(jì)下潛深度5 000 m,配備有4個(gè)水平矢量推進(jìn)器,3個(gè)垂直推進(jìn)器,2個(gè)七功能機(jī)械手．該ROV還安裝了避險(xiǎn)聲納和多個(gè)負(fù)責(zé)導(dǎo)航的傳感器,擁有自航能力．英國(guó)SMD公司開(kāi)發(fā)的3種具有國(guó)際領(lǐng)先水平的系列大功率液壓工作級(jí)ROV，為海洋的開(kāi)發(fā)、施工、探索帶來(lái)了巨大的幫助．

圖3 Oceaneering公司油氣開(kāi)采作業(yè)型水下機(jī)器人Fig.3 Oil extraction ROV, Oceaneering Inc.

ATOM型緊湊工作級(jí)ROV工作水深最高可達(dá)4 000 m,負(fù)重可達(dá)150 kg,可用于海洋鉆井支持和海上風(fēng)電場(chǎng)檢修維護(hù)等;QUASAR型中型工作級(jí)ROV的負(fù)載能力比ATOM型大,約為250 kg,主要用于深海測(cè)量和安裝施工;QUANTUM型重型工作級(jí)ROV負(fù)載能力再次提升,約為350 kg,是目前該公司的標(biāo)志性產(chǎn)品,可以在高強(qiáng)度電流下穩(wěn)定工作．

在海洋研究和教學(xué)領(lǐng)域,水下機(jī)器人也得到了較多應(yīng)用．WHOI研究所研制的JASON型水下無(wú)人機(jī)器人可以在大水深和高危險(xiǎn)環(huán)境中完成高強(qiáng)度、大負(fù)荷的工作,已經(jīng)為科研人員勘探海底水環(huán)境做出了巨大貢獻(xiàn)．JASON型是一種雙體結(jié)構(gòu)的水下機(jī)器人,它由ROV本體和中繼站兩個(gè)部分組成．結(jié)構(gòu)尺寸為3.4 m×2.2 m×2.4 m,最大下潛深度為6 500 m,搭載有6個(gè)無(wú)刷電動(dòng)推進(jìn)器,臍帶纜繩長(zhǎng)度35 m,直徑18 mm．21世紀(jì)初, JASON II型完成研制,纜繩得到加固,設(shè)備更加先進(jìn)．20世紀(jì)末,日本海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAMSTEC)嘗試設(shè)計(jì)潛深達(dá)11 000 m的“KAIKO”機(jī)器人．該機(jī)器人在一次深海試驗(yàn)中失蹤[6]．下潛深度會(huì)降低電纜的傳導(dǎo)率,改變金屬纜繩的剛度[3]．JAMSTEC決定重新開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)該系機(jī)器人．2015年,“KAIKO”系列水下機(jī)器人已發(fā)展到第四代．考慮到日本近海資源分布,設(shè)計(jì)下潛深度改為7 000 m．ROV本體尺寸3 m×2 m×2.6 m,搭載有75HP液壓動(dòng)力單元、4個(gè)水平和3個(gè)垂直推進(jìn)器、一對(duì)七功能液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以及其它高像素?cái)z像頭和高靈敏靈傳感器等部件,具有姿態(tài)保持和自動(dòng)定位等自適應(yīng)功能．

國(guó)內(nèi)ROV主要由各大科研院所在國(guó)家大量資金的支持下開(kāi)展研制,商業(yè)化進(jìn)展比較緩慢．上海交通大學(xué)承擔(dān)的國(guó)家科技重大專項(xiàng)——“海龍?zhí)枴庇?008年5月在中國(guó)南海完成了3 278 m深海試驗(yàn)．“海龍?zhí)枴敝?.25 t,前后進(jìn)退速度可達(dá)3.5 kn,側(cè)移速度2.5 kn,配備5臺(tái)多功能攝像機(jī)和一臺(tái)靜物照相機(jī),2個(gè)多功能機(jī)械手,首次安裝了自主研制的虛擬監(jiān)控和動(dòng)力定位系統(tǒng),性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,成功應(yīng)用于我國(guó)深海科考．該校還承擔(dān)了國(guó)家863重點(diǎn)項(xiàng)目“4 500 m級(jí)深海作業(yè)系統(tǒng)”——“海馬號(hào)”(圖4)的研制工作．科研人員在6年內(nèi)突破了本體結(jié)構(gòu)、浮力材料、液壓動(dòng)力、推進(jìn)系統(tǒng)、作業(yè)機(jī)械手和工具、觀通導(dǎo)航、控制系統(tǒng)、升降補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù),為我國(guó)深海資源探查與開(kāi)發(fā)、深海科研提供了強(qiáng)大的設(shè)備支持．“海馬號(hào)”國(guó)產(chǎn)化率達(dá)90%[7]，配備有多個(gè)水平和垂直推進(jìn)器、七功能和五功能機(jī)械手各一個(gè),主要完成水下探測(cè)與取樣工作．隨后,國(guó)內(nèi)相繼出現(xiàn)了中科院海洋所定制的“發(fā)現(xiàn)號(hào)”、上海交大的“海龍III號(hào)”、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所自主研制的“海星6000”等,屢次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域．其中,“海星6000”在2018年成功進(jìn)行了深海6 000 m下潛試驗(yàn),取得了突破性技術(shù)進(jìn)展．

圖4 上海交通大學(xué)“海馬號(hào)”Fig.4 Haima, Shanghai Jiaotong university

2.2 臍帶纜動(dòng)力學(xué)和機(jī)器人水動(dòng)力性能研究

當(dāng)機(jī)器人本體尺寸較小時(shí),考慮到設(shè)備可靠性,中繼管理系統(tǒng)(TMS)和水下機(jī)器人(ROV)通常合二為一,形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)．這種設(shè)計(jì)模式下,水下作業(yè)系統(tǒng)中臍帶纜將直接與該結(jié)構(gòu)連接,其強(qiáng)度、剛度以及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性也直接影響到ROV本體的工作效率．國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)臍帶纜力學(xué)性能和機(jī)器人本體水動(dòng)力學(xué)開(kāi)展了大量研究．

臍帶纜和中繼纜位于母船和水下機(jī)器人之間,受到船舶垂蕩和波流作用的影響．在設(shè)備下水過(guò)程中,臍帶纜需要有足夠的強(qiáng)度;在機(jī)器人工作時(shí),臍帶纜還要提供數(shù)據(jù)和電力傳輸．中繼纜通常在中繼系統(tǒng)到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)附近,由機(jī)器人駛離后拖出．中繼纜一般設(shè)計(jì)較細(xì),剛度較低,盡量不妨礙機(jī)器人自由活動(dòng)．為降低浮力對(duì)纜繩張力的影響,理想的臍帶纜和中繼纜在靜水中應(yīng)處于靜懸浮平衡狀態(tài),即結(jié)構(gòu)整體平均體密度控制在水密度附近．泡沫填充物為調(diào)整結(jié)構(gòu)浮力提供了更多可能性．臍帶纜外表面材料應(yīng)有較好的剛度和抗腐蝕性．

文獻(xiàn)[8]中較早地開(kāi)始研究水下拖纜動(dòng)力學(xué)問(wèn)題．計(jì)算對(duì)象是約1 000 m的纜繩在絞車(chē)卷筒上以34.3 km/h的速度被拉起,仿真模型基于空間矢量坐標(biāo)變換法(余弦矩陣)推導(dǎo),考慮了張力、浮力、慣性力以及流體對(duì)纜繩的作用．文獻(xiàn)[9]中針對(duì)臍帶纜根據(jù)拉格朗日原理發(fā)展了一組水下纜繩的動(dòng)力學(xué)建模新方法．該方法將臍帶纜采用離散為由彈性鉸鏈連接的多段剛性桿,其中彈性鉸鏈允許相鄰桿件產(chǎn)生3個(gè)方向上獨(dú)立的相對(duì)運(yùn)動(dòng)．文獻(xiàn)[10]中基于三次樣條曲線多項(xiàng)式采用有限元方法建立了水下纜繩動(dòng)力學(xué)模型,著重考察纜繩的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形．由于首先采用樣條多項(xiàng)式將自由度的變量分離,研究方法本質(zhì)上是一種模態(tài)疊加法．文獻(xiàn)[11]中采用幾何精確梁理論(GEBT)對(duì)臍帶纜進(jìn)行了建模．該模型計(jì)及了纜繩的非線性幾何變形關(guān)系以及軸向拉伸和彎曲剛度效應(yīng)．臍帶纜受船舶垂蕩影響較大,工程應(yīng)用中應(yīng)建立補(bǔ)償系統(tǒng)．文獻(xiàn)[12]中建立了全時(shí)域ROV本體和臍帶纜的耦合動(dòng)力學(xué)模型．研究顯示,水流速度和方向?qū)δ殠Ю|影響較大,運(yùn)動(dòng)控制中臍帶纜載荷不可忽略．

隨著國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人技術(shù)日趨成熟,臍帶纜及其與母船、機(jī)器人本體耦合運(yùn)動(dòng)研究也逐步得到科研工作者的重視．文獻(xiàn)[13]中研究了母船晃蕩引起的臍帶纜參量共振,即纜索受到軸向激勵(lì)所產(chǎn)生的大幅橫向振動(dòng)問(wèn)題．針對(duì)臍帶纜的結(jié)構(gòu)特性,推導(dǎo)出在軸向激勵(lì)力下的非線性振動(dòng)方程,應(yīng)用希爾無(wú)窮行列式的方法分析臍帶纜的參量不穩(wěn)定性．文獻(xiàn)[15]中比較研究了臍帶纜在懸鏈線和緩波形兩種布局形式下動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、有效張力以及彎曲曲率分布．將已知形態(tài)的臍帶纜視為立管,采用OrcaFlex軟件建立結(jié)構(gòu)模型,并分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性．文獻(xiàn)[16]中開(kāi)展了無(wú)粘接臍帶纜在軸對(duì)稱載荷作用下的動(dòng)響應(yīng)和疲勞特性研究．

水下機(jī)器人操控算法多數(shù)基于運(yùn)動(dòng)方程,該方程又依賴水動(dòng)力系數(shù)．因此,水動(dòng)力系數(shù)的精確評(píng)估對(duì)于預(yù)測(cè)水下機(jī)器人的操縱與運(yùn)動(dòng)特性非常重要．目前相關(guān)研究方法包括約束模型試驗(yàn)、實(shí)航數(shù)據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)和CFD仿真計(jì)算等．約束模型試驗(yàn)是指水下機(jī)器人受拖車(chē)約束,隨其在水池中以設(shè)定好的方式進(jìn)行航行,根據(jù)測(cè)力裝置可以測(cè)得相關(guān)數(shù)據(jù),然后分析求解出相應(yīng)的流體力或水動(dòng)力系數(shù)．在約束船模試驗(yàn)中,以平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)試驗(yàn)(PMM)最為典型．文獻(xiàn)[17]中以形狀復(fù)雜的開(kāi)架式ROV作為研究對(duì)象,用約束模型試驗(yàn)的方法來(lái)得到水動(dòng)力系數(shù)．文獻(xiàn)[18]中使用平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)一個(gè)全尺寸開(kāi)架式ROV進(jìn)行了振蕩試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果與Morison方程求解結(jié)果比較接近．文獻(xiàn)[19]中對(duì)4 500 m深海ROV縮比模型進(jìn)行了水平面內(nèi)的斜航拖拽試驗(yàn)，利用大振幅水平平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(LAHPMM,圖5),對(duì)模型進(jìn)行低速大漂角水動(dòng)力試驗(yàn)．采用多元回歸法來(lái)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)以得到相應(yīng)的非線性水動(dòng)力系數(shù)．

系統(tǒng)辨識(shí)方法是對(duì)水下機(jī)器人實(shí)航數(shù)據(jù)的分析計(jì)算以及對(duì)水阻力系數(shù)的修正處理,能充分利用傳感器數(shù)據(jù),成本低且重復(fù)性好,提出后被廣泛應(yīng)用．文獻(xiàn)[20]中使用虛擬系統(tǒng)來(lái)捕獲ROV平面運(yùn)動(dòng)在時(shí)域上的圖像,用機(jī)載壓力傳感器來(lái)記錄ROV的升沉運(yùn)動(dòng)．通過(guò)比較相同輸入下數(shù)學(xué)模型和機(jī)器人響應(yīng)可以估算求得水動(dòng)力系數(shù)．文獻(xiàn)[21]中利用辨識(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和最小二乘法獲取了水下機(jī)器人回轉(zhuǎn)水動(dòng)力系數(shù),其他水動(dòng)力系數(shù)采用近似公式及圖譜根據(jù)疊加原理和等效原理進(jìn)行近似估算得到．文獻(xiàn)[22]中根據(jù)能量守恒和動(dòng)量定理提出了一種水下機(jī)器人水動(dòng)力參數(shù)估計(jì)方法,適用于線性和非線性系統(tǒng)．文獻(xiàn)[23]中采用平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)制振蕩試驗(yàn),并利用加權(quán)的兩種參數(shù)辨識(shí)方法估計(jì)阻力系數(shù)計(jì)算了長(zhǎng)續(xù)航水下航行器的水動(dòng)力系數(shù)．

圖5 大振幅平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),上海交通大學(xué)Fig.5 VPMM & LAHPMM, SJTU

CFD仿真計(jì)算為水下機(jī)器人的水阻力特性研究提供了一種易于實(shí)現(xiàn)的手段[24]．文獻(xiàn)[25]中通過(guò)求解 RANS 方程得到了兩種典型結(jié)構(gòu)的水下機(jī)器人橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力系數(shù)和力矩系數(shù)．文獻(xiàn)[26]中通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)軟件仿真得到水下機(jī)器人的粘性類水阻力系數(shù),分別采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和k-ω湍流模型計(jì)算位置力系數(shù)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù),并且獲得水阻力系數(shù)．文獻(xiàn)[27]中等利用CFD技術(shù)研究了水下機(jī)器人PICASSO的阻力性能,根據(jù)CFD計(jì)算的阻力以及設(shè)備的限制設(shè)計(jì)水下機(jī)器人的載體外形,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了有效性．文獻(xiàn)[28]中以具有五個(gè)自由度的盤(pán)形水下機(jī)器人為研究對(duì)象,并基于BANS方程用FLUENT進(jìn)行了阻力計(jì)算．文獻(xiàn)[29]中基于CFD方法利用粘流求解器建立了昆蟲(chóng)級(jí)水下機(jī)器人(VISOR3)的水動(dòng)力模型,預(yù)測(cè)操縱系數(shù)．建立了考慮水動(dòng)力項(xiàng)的六自由度ROV非線性運(yùn)動(dòng)微分方程,采用REFRESCO求解器求解穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程,然后將CFD仿真PMM運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)得到的數(shù)據(jù)構(gòu)建水動(dòng)力模型．仿真模型中考慮了3種不同情形,包括不同漂移角和定?；蚍嵌ǔＭ廨d荷等對(duì)流場(chǎng)的影響．

臍帶纜作為彈性梁耦合到機(jī)器人本體動(dòng)力學(xué)方程中,是目前水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究取得的重要進(jìn)展．而CFD方法已表現(xiàn)出在水動(dòng)力性能預(yù)估方面的潛力．

2.3 水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)定位和運(yùn)動(dòng)控制

動(dòng)態(tài)定位和運(yùn)動(dòng)控制在水下機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)中應(yīng)處于較高位置,是與母船控制高度耦合的重要模塊．臍帶纜動(dòng)力學(xué)與本體水動(dòng)力性能響應(yīng)為該模塊提供輸入?yún)⒖?同時(shí),模塊的輸出也將直接影響到本體及其擴(kuò)展裝備的工作效率．ROV本體中包含控制模塊,用于接受母船命令并根據(jù)當(dāng)前傳感器信息控制水下推進(jìn)器和機(jī)械手．母船指令要到達(dá)操縱采油樹(shù)閥門(mén)的機(jī)械手需要經(jīng)過(guò)ROV本體,即機(jī)械手的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)事實(shí)上是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)．其中單個(gè)運(yùn)動(dòng)控制必須精確到位,才能保證指令的準(zhǔn)確執(zhí)行．

水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法主要包括:類PID、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)以及滑?？刂?SMC)3大類．PID是一種監(jiān)視設(shè)定值和測(cè)量值之間殘差的閉合反饋控制算法,單次循環(huán)增量基于比例、積分以及差分函數(shù)實(shí)現(xiàn)．這種方法簡(jiǎn)單有效,在工業(yè)各領(lǐng)域有著最為廣泛的應(yīng)用．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是基于多例學(xué)習(xí)的一套控制算法,學(xué)習(xí)規(guī)則指定了網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重如何隨著時(shí)間推進(jìn)而調(diào)整．大多數(shù)情況下,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能在外界信息的基礎(chǔ)上改變內(nèi)部結(jié)構(gòu),是一種自適應(yīng)系統(tǒng)．基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法在水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制方面日益成熟．而滑?？刂品椒ㄍㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)變量將系統(tǒng)多模態(tài)化,在滑模面上尋找穩(wěn)定性邊界．與傳統(tǒng)控制器不同,滑?？刂票举|(zhì)上是研究變結(jié)構(gòu)非線性系統(tǒng),利用約束條件確定系統(tǒng)目標(biāo)狀態(tài)．由于該控制器不需要結(jié)構(gòu)本體的響應(yīng)輸入,在水下機(jī)器人控制中得到了發(fā)展．

由于深海工況復(fù)雜,水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制面臨挑戰(zhàn)．文獻(xiàn)[30]中基于變結(jié)構(gòu)控制算法為ROV的動(dòng)態(tài)定位提出一種自適應(yīng)控制策略．該策略僅需輸入位置傳感器數(shù)據(jù),可以放寬機(jī)器人本體響應(yīng)模型精度要求．文獻(xiàn)[31]中較早地開(kāi)展了水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究,提出了由感知層、控制層和執(zhí)行層構(gòu)成的PCE運(yùn)動(dòng)控制體系結(jié)構(gòu)．從理論上探討了并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和滑?？刂品椒?解決了前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂慢的問(wèn)題．文獻(xiàn)[32]中在計(jì)及臍帶纜拖拽動(dòng)態(tài)效應(yīng)前提下,建立了高精度四自由度ROV本體動(dòng)力學(xué)模型,基于多層徑向基函數(shù)發(fā)展了一種非線性自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器,用于機(jī)器人水下軌跡追蹤．文獻(xiàn)[33]中研究了六自由度ROV動(dòng)態(tài)建模和軌跡控制技術(shù),給出了結(jié)合模糊控制技術(shù)的滑模策略．模糊算法應(yīng)用于外界實(shí)時(shí)干擾和系統(tǒng)非線性項(xiàng)評(píng)估．文獻(xiàn)[34]中以浙江大學(xué)“海王一號(hào)”六自由度系統(tǒng)為研究對(duì)象,基于滑?？刂评碚撎岢隽艘环NROV全狀態(tài)反饋多變量非線性姿態(tài)魯棒控制方法,解決了具有較強(qiáng)不確定性的作業(yè)型水下機(jī)器人動(dòng)力定位和軌跡跟蹤問(wèn)題．設(shè)計(jì)的自適應(yīng)平滑增益滑模觀測(cè)器,克服常規(guī)滑模觀測(cè)器中所存在的高頻顫振現(xiàn)象．文獻(xiàn)[35]中基于高增益觀測(cè)器和多輸入多輸出的PID算法,建立了偵查型ROV有軌跡跟蹤能力的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)．文獻(xiàn)[36]中設(shè)計(jì)了一款中小型ROV,并基于二階滑?？刂破鹘?gòu)了本體運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)．在沒(méi)有加速度測(cè)試數(shù)據(jù)和機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的情況下,該系統(tǒng)仍然能夠完成軌跡定位．

近幾年來(lái),水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)定位和運(yùn)動(dòng)控制研究有算法混合運(yùn)用的趨勢(shì)．文獻(xiàn)[37]中針對(duì)四自由度ROV軌跡跟蹤問(wèn)題,結(jié)合自適應(yīng)滑模觀測(cè)器開(kāi)發(fā)了自動(dòng)輸出反饋的多變量滑?？刂扑惴ǎ摲椒ㄔ谙到y(tǒng)不確定因素未知的前提下,能夠有效降低滑?？刂频念澱駟?wèn)題．文獻(xiàn)[38]中針對(duì)ROV處于深海環(huán)境中受到外界干擾的伺服控制問(wèn)題, 建立推進(jìn)器推力分配結(jié)構(gòu),構(gòu)造模糊PID控制器,實(shí)現(xiàn)消除外界干擾恢復(fù)靜止穩(wěn)定狀態(tài)的伺服控制．文獻(xiàn)[39]中同樣基于模糊PID控制原理,為ROV定向、定高和定深的航行需求構(gòu)建了精度高、響應(yīng)快速的控制系統(tǒng),文獻(xiàn)[40]中建立了基于觀測(cè)器的自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軌跡跟蹤控制算法,提出了一種能夠快速學(xué)習(xí)的當(dāng)?shù)厣窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)．由于引入滑模狀態(tài)觀測(cè)器評(píng)估環(huán)境干擾,控制系統(tǒng)無(wú)需測(cè)量數(shù)據(jù),推力模型也不必精確．文獻(xiàn)[41]中提出一種包括引導(dǎo)、自航和控制的完整算法,并在偵查型ROV上實(shí)現(xiàn)．文中采用擴(kuò)展式Kalman濾波獲得低噪、高刷新率的狀態(tài)評(píng)估,其評(píng)估準(zhǔn)確率通過(guò)了高精度光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)水池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．文獻(xiàn)[42]中以“海馬一號(hào)”為研究對(duì)象,針對(duì)電液比例閥驅(qū)動(dòng)的水下推進(jìn)系統(tǒng)存在液壓系統(tǒng)強(qiáng)非線性、易受外界溫度壓力以及水動(dòng)力性能變化引起的參數(shù)不確定性的問(wèn)題,提出一種基于Backstepping算法的自適應(yīng)反演滑?？刂品椒?展示出自適應(yīng)滑?？刂葡鄬?duì)于傳統(tǒng)PID的明顯優(yōu)勢(shì)(圖6)．文獻(xiàn)[43]中為了解決水下機(jī)器人姿態(tài)控制易受環(huán)境影響等問(wèn)題,將環(huán)境干擾力和力矩分離,并分析其變化特性,然后采用模糊邏輯系統(tǒng)進(jìn)行逼近,最終基于模糊補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)了ROV自適應(yīng)姿態(tài)控制器．由于水動(dòng)力性能與纜繩和機(jī)械手的非線性耦合效應(yīng)和水下暗流擾動(dòng)的不確定性,基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的控制方法仍有提升空間[44]．

表1列出了目前ROV運(yùn)動(dòng)控制方面的主要技術(shù)．可以看出:① 由于依賴結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)反饋,且經(jīng)驗(yàn)參數(shù)過(guò)多,PID控制器逐漸不被采用．結(jié)合其他算法(比如模糊控制)設(shè)計(jì)新的類PID控制器是該類算法的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)．② 滑?？刂评碚摬恍枰珳?zhǔn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),較適合于水下環(huán)境作業(yè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,在ROV運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中越來(lái)越占據(jù)主導(dǎo)地位．③ 由于深度學(xué)習(xí)技術(shù)目前仍處于快速發(fā)展階段,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器設(shè)計(jì)比較前沿,潛力有待進(jìn)一步挖掘．

表1 ROV運(yùn)動(dòng)控制主要方法概要Table 1 Review of control methods for ROV

2.4 水下機(jī)器人深海作業(yè)裝備研究

帶纜水下機(jī)器人是深海采油作業(yè)的輔助型工具,在油氣管道鋪設(shè)監(jiān)測(cè)[45]、水下采油樹(shù)安裝[46]以及閥門(mén)開(kāi)閉等任務(wù)中發(fā)揮著不可替代的作用．水下機(jī)器人深海采油作業(yè)系統(tǒng)主要包括機(jī)械手和擴(kuò)展裝備．由于攝像機(jī)、照相機(jī)以及其他采樣器等作業(yè)工具均有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),一般只需要按照水深和作業(yè)精度選擇即可．而面向深海采油樹(shù)閥門(mén)控制的線性工具和扭轉(zhuǎn)工具需要特別設(shè)計(jì),相關(guān)研究并不多見(jiàn)．

2.4.1 水下機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,深海ROV通常配備有左右兩個(gè)機(jī)械手．在作業(yè)時(shí),左右機(jī)械手分工合作．比較典型的一種配合是一個(gè)機(jī)械手作為支點(diǎn)固定于結(jié)構(gòu),另一個(gè)則負(fù)責(zé)真正的作業(yè)．目前較主流的作業(yè)型機(jī)械手采用六或七功能(6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度或1個(gè)抓取功能)設(shè)計(jì),以應(yīng)付水下各項(xiàng)任務(wù)．以七功能設(shè)計(jì)為例,機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由基座、肩部、大臂、肘部、前臂、腕部以及手爪等部分組成．這些部分的連接除前臂、腕部回轉(zhuǎn)外,其他部分均是由安裝在基座、肩部、肘部和腕部擺動(dòng)關(guān)節(jié)部位的可軸向轉(zhuǎn)動(dòng)的不銹鋼轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)的．除了不銹鋼以外,現(xiàn)代手下機(jī)械手還用到極化處理過(guò)的鋁合金或鈦合金(Ti 6-4)等材料,以保證足夠的深海結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗腐蝕性．為了減輕總重和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)壓力,懸浮材料也有少量試驗(yàn)性應(yīng)用．深海環(huán)境所限,機(jī)械手作業(yè)范圍局限于0.5～2.4 m,扭矩8～50 N·m,負(fù)載5～500 kg．整體尺寸和重量對(duì)于深海作業(yè)至關(guān)重要．機(jī)械手重量占比必須設(shè)計(jì)盡量小,以減少與ROV本體的動(dòng)態(tài)耦合效應(yīng),從而增加操縱效率[47]．

水下機(jī)械手自從20世紀(jì)中葉隨著水下機(jī)器人一同問(wèn)世以來(lái),已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的工業(yè)水平．國(guó)外用于ROV的水下機(jī)械手中較主流有美國(guó)Schilling公司的Orion和Titan系列、澳大利亞ROV Innovations公司的ARM 系列以及英國(guó)Hydro-Lek公司的HLK系列等．

Orion 7R是一款靈巧的七功能速率型機(jī)械手,工作深度6 500 m,工作范圍1.5 m,夾具標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)口97 mm,最大推力和扭矩分別為4.4 kN和205 N·m．由于重量較輕、價(jià)格低廉,適合在運(yùn)載體積有要求的小型水下機(jī)器人上使用．Titan 4是七功能高精度位控型機(jī)械手,采用液壓驅(qū)動(dòng),由鈦合金材料制成,工作深度4 000 m,工作范圍近2 m,夾具標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)口99 mm,最大推力和扭矩分別為4 000 N和170 N·m,可用于重型作業(yè)型水下機(jī)器人．Cybernetix公司開(kāi)發(fā)的六個(gè)自由度Maestro水下機(jī)械手,同樣采用鈦合金材料,可由反饋式液壓伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),下潛深度6 000 m,作業(yè)半徑2.4 m,最大推力和扭矩分別為1 000 N和190 N·m,能夠在各種極端環(huán)境中(比如高溫實(shí)驗(yàn)室)使用,完成拆卸、清理、維修或監(jiān)測(cè)等任務(wù)．ARM系列機(jī)械手均配備有可拆換夾具頭,使用更為便利．ARM 5E是輕量級(jí)五功能機(jī)械手,最大工作深度6 000 m,工作范圍1 m,擁有優(yōu)化的推重比,主要用于負(fù)載較小的水下機(jī)器人．ARM 7E是重量級(jí)七功能機(jī)械手,最大工作深度6 000 m,工作范圍1.8 m,擁有較強(qiáng)勁的工作能力．HLK-HD6W是一種六功能機(jī)械手,可以承擔(dān)較重的工作負(fù)荷,肩部可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn),支持兩種不同的裝載方式,可用于ROV左手或右手,適用于中型作業(yè)級(jí)ROV．為完成水下更為復(fù)雜的任務(wù),日本立命館大學(xué)機(jī)器人學(xué)院開(kāi)發(fā)了雙臂機(jī)械手的水下機(jī)器人原型機(jī)[48](圖7),在日本最大淡水湖Biwa湖中進(jìn)行了控制試驗(yàn)．該ROV空重56kg,單臂空重5.5kg,具有5個(gè)自由度．試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了力學(xué)與控制算法對(duì)于ROV及其機(jī)械手運(yùn)動(dòng)性能的重要性．國(guó)內(nèi),華中科技大學(xué)較早開(kāi)展了液壓驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手研制[49]，為自主開(kāi)發(fā)做出了重大貢獻(xiàn)．近幾年來(lái),哈爾濱工程大學(xué)[50]和天津工業(yè)大學(xué)[51]等分別設(shè)計(jì)了用于ROV的水下機(jī)械手,并研究了相關(guān)水動(dòng)力特性和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)．總體上,目前商業(yè)公司對(duì)水下機(jī)械手采取專項(xiàng)任務(wù)專項(xiàng)設(shè)計(jì)的策略,可應(yīng)對(duì)各類水下任務(wù)．

圖7 日本立命館大學(xué)雙臂機(jī)械手ROVFig.7 ROV with dual arms, Ritsumeikan university, Japan

2.4.2 水下機(jī)械手操作控制

在操作控制方面,機(jī)械手一般由液壓、電動(dòng)或氣動(dòng)裝置等驅(qū)動(dòng)．其中,液壓驅(qū)動(dòng)臂力較大、結(jié)構(gòu)緊湊、剛性和驅(qū)動(dòng)效率較高,是作業(yè)型ROV首選驅(qū)動(dòng)方式．伺服控制器與ROV本體運(yùn)動(dòng)控制方式類似,其中類PID仍在工業(yè)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位．國(guó)外學(xué)者針對(duì)機(jī)械手伺服控制設(shè)計(jì)開(kāi)展了研究．文獻(xiàn)[52]中基于神經(jīng)網(wǎng)格-模糊控制(Neuro-Fuzzy)方法針對(duì)水下機(jī)械手設(shè)計(jì)了一種智能控制方法．該控制器主要由帶優(yōu)化反饋的模糊PID算法構(gòu)成,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為補(bǔ)償系統(tǒng)能提升控制器應(yīng)對(duì)不確定性因素的能力．文獻(xiàn)[53]中對(duì)纜繩、機(jī)器人本體和機(jī)械手整體系統(tǒng)進(jìn)行了建模和控制研究．文中將纜繩視為離散多質(zhì)量結(jié)構(gòu),并由粘彈性彈簧連接,考慮結(jié)構(gòu)彎曲和扭轉(zhuǎn)自由度,建立中繼纜動(dòng)力學(xué)模型;在本體和機(jī)械手耦合控制器設(shè)計(jì)中計(jì)及纜繩的運(yùn)動(dòng)影響,采用基于模型的單輸入單輸出(SISO)滑?？刂扑惴?引入基于機(jī)器人和機(jī)械手響應(yīng)的人工肢體算法預(yù)測(cè)外載荷．文獻(xiàn)[54]中建立了自治型機(jī)器人和機(jī)械手的耦合動(dòng)力學(xué)仿真模型,分析了機(jī)械手對(duì)本體的運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)．

近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)水下機(jī)械手的控制技術(shù)逐步興起．文獻(xiàn)[55]中較早對(duì)深海ROV及其作業(yè)系統(tǒng)作了綜述,分別針對(duì)水下機(jī)械手的研制思路和水下作業(yè)工具的研究狀況及難點(diǎn)等進(jìn)行了分析與評(píng)述,并給出了相關(guān)建議．文獻(xiàn)[56]中建立了水下液壓機(jī)械手非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)模型,并基于該模型設(shè)計(jì)了機(jī)械手自適應(yīng)控制器．該控制器具有精確跟蹤能力,能夠處理水下擾動(dòng)和系統(tǒng)參數(shù)變化等情況．文獻(xiàn)[57]中設(shè)計(jì)了深海作業(yè)七功能主從式液壓機(jī)械手,解決了機(jī)械手直線工具和扭轉(zhuǎn)工具的關(guān)鍵技術(shù)．為了達(dá)到平滑控制效果,在從動(dòng)機(jī)械手上應(yīng)用了帶變?cè)鲆娴腜I控制器,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)械手設(shè)計(jì)和控制的合理性．文獻(xiàn)[58]中設(shè)計(jì)了一套虛擬系統(tǒng),用于全方位模擬水下1 000 m作業(yè)機(jī)器人和主從式液壓七功能機(jī)械手的耦合運(yùn)動(dòng),編寫(xiě)了兩套作業(yè)任務(wù),主要用于操作訓(xùn)練．文獻(xiàn)[59]中針對(duì)4 500 m深海液壓機(jī)械手負(fù)載重、壓力補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題,基于Backstepping算法提出了一種自適應(yīng)魯棒跟蹤控制技術(shù)．文獻(xiàn)[60]中針對(duì)ROV液壓伺服推進(jìn)器辨識(shí)問(wèn)題,提出了采用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行控制模型參數(shù)辨識(shí)．為解決遺傳算法易早熟、難以找到精確解等問(wèn)題,采用一種基于均勻設(shè)計(jì)的種群初始化方法和一種改進(jìn)變異方式的深度捕食策略,有效提高了變量液壓推進(jìn)器伺服控制模型辨識(shí)算法的全局收斂性和搜索效率．

2.4.3 ROV深海作業(yè)其他外接裝備

深海采油采氣等工業(yè)過(guò)程主要包括三步,即上游尋找和開(kāi)采原始油氣資源,中游預(yù)處理和轉(zhuǎn)儲(chǔ)這些資源,下游提煉、分配以及銷售．帶纜水下機(jī)器人能夠在上游和中游段發(fā)揮工作,其中在上游段工作最為重要．除了機(jī)械手之外,通過(guò)外接其它各類輔助裝備能使ROV功能得到極大豐富,在采油采礦以及維護(hù)運(yùn)輸管道等方面起到不可替代的作用．

外接工具是擴(kuò)展深海機(jī)械手功能的強(qiáng)有力補(bǔ)充,可替代潛水員完成簡(jiǎn)單的海底操作．按照運(yùn)動(dòng)方式,可將外接工具分為直線型、旋轉(zhuǎn)型和沖擊型．某些任務(wù)需要工具作復(fù)合運(yùn)動(dòng),如采油樹(shù)閥門(mén)開(kāi)閉等操作(圖8)．圖9顯示了ROV外接裝備后在深海礦業(yè)勘探工業(yè)中能夠發(fā)揮巨大作用．鉆桿系統(tǒng)重達(dá)數(shù)噸,通過(guò)螺栓與ROV連接,可避免焊接或調(diào)整機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)[61]．ROV在鉆探工業(yè)中已發(fā)展為深海鉆探的主要工具之一[62]．ROV機(jī)械手還可借助外接液壓剪剪切海底管道犧牲鋼纜等．

圖8 作業(yè)型ROV在深海采油樹(shù)閥門(mén)上操作(圓圈內(nèi))Fig.8 Work-class ROV operates valves on deep-sea Christmas tree (in red circle)

海底地質(zhì)探明是深海資源開(kāi)發(fā)的必要步驟．裝備有多波束測(cè)控儀或側(cè)掃聲納的ROV能夠極大地提高海床地圖測(cè)繪的便捷性．低成本ROV在深海礦物(熱液噴口附近的海底塊狀硫化物)探明與監(jiān)控方面的應(yīng)用廣泛．由于材料科學(xué)的發(fā)展、外接設(shè)備的開(kāi)發(fā)以及其它相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,深海工業(yè)市場(chǎng)上將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多、經(jīng)濟(jì)上可承擔(dān)的水下機(jī)器人,也將有更多企業(yè)愿意加入深海淘金大軍．

表2詳細(xì)列舉了深海作業(yè)型ROV的更多功能．從表中可以看出,外接工具是擴(kuò)展功能的必要補(bǔ)充,與ROV的連接方式也需要單獨(dú)設(shè)計(jì);而機(jī)械手的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)統(tǒng)一．在功能多樣的前提下,如果可以統(tǒng)一部分工業(yè)接口,將進(jìn)一步降低水下機(jī)器人的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)成本,有利于促進(jìn)全球深海作業(yè)型水下機(jī)器人在新時(shí)代的大發(fā)展．

表2 深海作業(yè)型ROV機(jī)械手與擴(kuò)展部分功能列表Table 2 Functions of work-class ROV manipulators and intervention tools

3 發(fā)展趨勢(shì)

ROV在深海資源開(kāi)發(fā)中發(fā)揮著越來(lái)越多的作用,相關(guān)技術(shù)也得到了較快發(fā)展．綜合四方面關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀,總結(jié)發(fā)展趨勢(shì)如下：

(1) 下潛深度提高、設(shè)計(jì)成本降低

美國(guó)、日本、德國(guó)和俄羅斯等國(guó)都開(kāi)發(fā)6 000 m深海技術(shù)為目標(biāo)的水下機(jī)器人．日本的“海溝號(hào)”更是將下潛深度刷新到11 000 m．下潛深度給ROV綜合設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)．目前專用設(shè)計(jì)較為多見(jiàn),而通用設(shè)計(jì)略顯不足．如何根據(jù)工業(yè)需求平衡二者的市場(chǎng)比例和統(tǒng)一設(shè)計(jì)接口仍需要從業(yè)人員共同努力．隨著新材料與制造工藝的成熟,設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)成本下降是系統(tǒng)總體的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì),能為商業(yè)化鋪平道路．

(2) 耦合運(yùn)動(dòng)與阻力性能預(yù)報(bào)面臨挑戰(zhàn)

臍帶纜繩具有一定的剛度和浮力特性,本質(zhì)上是各向異性材料構(gòu)成的細(xì)長(zhǎng)大變形梁．借鑒復(fù)合材料梁領(lǐng)域的研究成果,精準(zhǔn)描述纜繩運(yùn)動(dòng)非線性幾何學(xué)．在深海中水流作用下,纜繩與ROV本體的相互作用能較大程度上影響到水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)精度．由于水流的不確定性,水動(dòng)力系數(shù)的準(zhǔn)確獲取方法仍處于發(fā)展與完善之中．勢(shì)流理論逐漸被CFD仿真計(jì)算取代．但CFD本身仍有亟待解決的問(wèn)題,阻力性能計(jì)算甚至不如傳統(tǒng)方法．有效解決方案是結(jié)合水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合預(yù)測(cè)水動(dòng)力性能．

(3) 滑?？刂扑惴ǔ蔀檫\(yùn)動(dòng)控制主流

在ROV動(dòng)態(tài)定位和運(yùn)動(dòng)控制方面,多種算法并行發(fā)展,包括類PID、滑?？刂婆c神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)．與新方法(比如模糊控制等)結(jié)合,傳統(tǒng)PID算法能夠有效控制靜水機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)．由于深海暗流撓動(dòng),ROV運(yùn)動(dòng)響應(yīng)較難預(yù)測(cè),類PID控制精度有限．而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依賴前期大量訓(xùn)練,研究處于起步階段．滑?？刂扑惴ú恍枰珳?zhǔn)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),較適合于水下環(huán)境作業(yè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制,逐漸占據(jù)水下運(yùn)動(dòng)控制的主導(dǎo)地位．確定滑模臨界條件本質(zhì)上是求解非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性邊界,可能需要借鑒數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域的成果．

(4) 深海作業(yè)裝備專業(yè)化多樣化

在深海作業(yè)裝備方面,水下機(jī)械手通過(guò)外接工具擴(kuò)展自身功能,是所有裝備中的關(guān)鍵部件．目前水下機(jī)械手設(shè)計(jì)大多具有6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度和1個(gè)抓具自由度．新材料(鋁或鈦合金)提高了水下機(jī)械手的耐腐蝕性和強(qiáng)度,也使得重量占比更小、更易于控制．機(jī)械手作業(yè)效率主要依賴運(yùn)動(dòng)控制算法和承載能力．外接設(shè)備呈現(xiàn)多樣化發(fā)展趨勢(shì)．深海采礦采油、閥門(mén)開(kāi)關(guān)、海底測(cè)繪、海水采樣或纜繩剪切等各項(xiàng)任務(wù)均超出水下機(jī)械手的作業(yè)能力,需要設(shè)計(jì)專有工具完成．這些工具與機(jī)器人本體的連接方式并不統(tǒng)一,價(jià)格昂貴．市場(chǎng)化是水下機(jī)器人降低成本的有效渠道．