孫玉山， 李優(yōu)仁， 盛明偉， 龐永杰， 張國成

(哈爾濱工程大學 a.水下機器人技術(shù)重點實驗室， b.船舶工程學院， 哈爾濱 150001)

多波束系統(tǒng)在智能水下機器人中的應(yīng)用展望

孫玉山a,b， 李優(yōu)仁a,b， 盛明偉a,b， 龐永杰a,b， 張國成a,b

(哈爾濱工程大學 a.水下機器人技術(shù)重點實驗室， b.船舶工程學院， 哈爾濱 150001)

在進行深海地形探測方面?zhèn)鹘y(tǒng)的船載多波束存在精度低、成本高、效率低等問題，不能完全滿足深海探測需求。采用智能水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)進行深海探測和考察，已成為重要的發(fā)展趨勢。分析傳統(tǒng)船載多波束系統(tǒng)工作的弊端，結(jié)合AUV的特點闡述其搭載多波束系統(tǒng)進行深海探測的優(yōu)勢，介紹國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀，提出我國多波束系統(tǒng)在AUV應(yīng)用中可能遇到的問題及展望。

智能水下機器人；多波束；應(yīng)用展望

0 引言

多波束系統(tǒng)不同于單波束測深系統(tǒng),它實現(xiàn)了從“點”“線”水下地形測量到條帶式、全覆蓋、“面”測量的變革，保證了較寬的掃幅和較高的測點密度，因而多波束測深具有全覆蓋、高精度、高密度和高效率的特點。多波束探測系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋礦產(chǎn)、考古調(diào)查研究、事故調(diào)查和勘探[1-3]等多個領(lǐng)域。不同載體深水多波束系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 不同載體深水多波束系統(tǒng)探測示意圖

國際航道組織(IHO)在1994年制定的國際水深測量標準中明確規(guī)定：在高級別的水深測量中必須使用多波束全覆蓋測深系統(tǒng)。傳統(tǒng)的船載多波束系統(tǒng)等方式成本高、精度低、效率低。所以，采用智能水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)系統(tǒng)進行深海探測和考察，已經(jīng)成為海洋探測工作的重要發(fā)展趨勢。

1 AUV搭載多波束系統(tǒng)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)多波束系統(tǒng)的工作方式是通過水面船搭載多波束系統(tǒng)、水面船攜帶深水拖曳系統(tǒng)(拖魚)或是采用動力定位母船的遙控式水下機器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)系統(tǒng)。在探測過程中人為控制航行探測路線，實時控制多波束系統(tǒng)、監(jiān)測探測數(shù)據(jù)情況，有時還需要對同一地區(qū)進行反復精細探測。船載和拖拽式多波束系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 船載(左)和拖拽式(右)多波束系統(tǒng)

傳統(tǒng)的船載多波束進行探測的方式對于淺水地區(qū)探測比較適用，但是在對深水遠海地區(qū)進行探測時，這種傳統(tǒng)的探測方式會出現(xiàn)較多弊端：(1) 對于遠海地區(qū)的探測成本高，需要探測人員全程監(jiān)測。(2) 對于深海地區(qū)的探測，船載多波束系統(tǒng)需要設(shè)置低頻率進行遠距離探測，但是這樣會降低探測結(jié)果的精度，海底地形地貌效果不佳。此外，深遠海域海況一般比較復雜，對于探測人員的安全不利。(3) 在進行深海探測時，為了保證探測精度，使用鋼纜進行拖拽多波束系統(tǒng)，使其可以在較高頻率工作狀態(tài)下對海底進行探測，此時為了使探測地形完整，水面船的航行路線更加復雜，這樣會極大降低探測效率。(4) 船載多波束系統(tǒng)工作時，可能出現(xiàn)載體的姿態(tài)變化頻繁且幅度較大的情況，對探測工作造成較大影響。

AUV可以以穩(wěn)定的速度、精準的高度控制和極小的姿態(tài)變化采集海底地形信息，與一般船載或者拖魚探測相比，AUV可獲得更加精準的海底地形地貌，并且由AUV搭載多波束系統(tǒng)可對更深的海底地形進行更高精度的探測[4]。AUV搭載多波束系統(tǒng)進行探測任務(wù)主要有三方面的優(yōu)點：

(1) 成本低。傳統(tǒng)的船載多波束系統(tǒng)對搭載系統(tǒng)的試驗船要求較高，而采用具有動力定位母船的ROV系統(tǒng)，不僅母船的使用成本較高，而且由于系纜的存在，ROV進行探測工作時行動緩慢，探測效率降低，從而導致總成本上升[5]。

水面船拖曳的深拖系統(tǒng)，在水深不足800 m時，通過拖船上的聲學設(shè)備對拖魚進行定位；在超過800 m的水域，通常布置長基線陣列對拖魚進行定位。長基線雖然精度高，但是成本高、耗時長，涉及在海底布放聲學位置應(yīng)答器信標環(huán)網(wǎng)(基陣)，在初始階段為確保其可用性，需要冗長的校準過程。因此，為了提高探測精度，采用水面船拖曳的深拖系統(tǒng)往往需要兩艘船舶，一艘作為拖船，一艘作為航行在拖魚上方的定位船舶。深拖系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 深拖系統(tǒng)工作示意圖

(2) 精度高。一般的海底考察采用水面船拖曳的深拖系統(tǒng)，其拖纜底端的拖魚要保持在距海底十幾米的高度上航行，拖纜的長度一般應(yīng)為深度的3倍。對于1 000～2 000 m的水深，其拖纜長3 000～6 000 m。在這樣長的拖纜下，拖魚容易受海流影響偏離預定航線。偏移距離甚至可達上百米，很難達到預期探測目標。當海底起伏不平時，水面船拖曳的深拖系統(tǒng)也很難保證拖魚距海底的指定高度。如果高度增加，數(shù)據(jù)質(zhì)量不佳；如果高度減少，將限制其探測的交叉覆蓋率，并增加與海底碰撞的危險。

因此，采用水面船拖曳的深拖系統(tǒng)很難獲得設(shè)定航線上高精度的海底數(shù)據(jù)信息，而AUV卻能夠以穩(wěn)定的速度、精準的高度控制和極小的姿態(tài)變化進行海底地形探測工作，獲得高質(zhì)量的海底數(shù)據(jù)信息[6-7]，如圖4所示。此外，與船載多波束系統(tǒng)相比，AUV在深海地區(qū)可以探測到更高分辨率的多波束數(shù)據(jù)。例如，在2 000 m水深時，測深儀垂直噪聲可從7.0 m改善到0.2 m。類似地，多波束聲吶的反向散射校準可以從40 m的像素大小改善到小于1.0 m。AUV保持航線和高度控制的優(yōu)勢如圖5所示。

圖4 AUV保持航線和高度控制的優(yōu)勢

圖5 AUV與船載聲吶相比的優(yōu)勢

(3) 效率高。首先，與深拖系統(tǒng)相比，AUV能夠以較高航速進行海底地形探測工作；其次，水面船拖曳的深拖系統(tǒng)進行探測工作時，為保證距海底十幾米高度上的拖魚不與海底相碰，從一個設(shè)定航線轉(zhuǎn)入下一個設(shè)定航線時，必須通過繞半徑幾十公里大彎的方式回轉(zhuǎn)，往往需要2～6 h完成一次180°的轉(zhuǎn)彎運動，探測效率較低。AUV能夠快速轉(zhuǎn)彎，僅需要幾分鐘的時間就可進入下一個設(shè)定航線，探測效率較高。AUV在工作效率上的優(yōu)勢如圖6所示。

圖6 AUV在工作效率上的優(yōu)勢

此外，通過智能水下機器人搭載多波束系統(tǒng)進行探測工作，能夠在更好地發(fā)揮多波束系統(tǒng)高精度探測能力的同時，使得智能水下機器人執(zhí)行更多、更全面的海上探測任務(wù)。

2 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，國外很多高水平的探測水下機器人均搭載多波束系統(tǒng)[8]，例如：搭載Reson 7100型號多波束系統(tǒng)的DORADO水下機器人、嵌入EM系列多波束系統(tǒng)的HUGIN系列水下機器人以及搭載Kongsberg EM 2000的Autosub-Ⅱ水下航行器。

美國Hydroid公司生產(chǎn)的REMUS-100，REMUS-600和REMUS-6000等REMUS(Remote Environmental Monitoring Units)系列智能水下機器人性能卓越，已經(jīng)被多國采購。科學家們利用REMUS智能水下機器人完成了大量的海洋環(huán)境觀測和數(shù)據(jù)采集試驗。REMUS智能水下機器人及其探測的海底特征如圖7所示。

圖7 REMUS智能水下機器人及其探測的海底特征

此外，在對馬來西亞航空失聯(lián)班機MH370的搜救過程中，美國藍鰭水下機器人公司所派出的“藍鰭-21”水下機器人所搭載的是Reson 7125型號400 kHz的多波束系統(tǒng)，如圖8所示。資料顯示，該水下機器人長4.93 m，直徑0.53 m，重750 kg，最大下潛深度為4 500 m，最大航速為4 kn，在標準負載情況下可以以3 kn航速航行25 h。

圖8 “藍鰭-21”水下機器人

除了美國以外，日本、英國、俄羅斯、法國和挪威等國家在應(yīng)用智能水下機器人完成海洋探測方面也都取得了明顯的、各有特色的成果，其中：日本、英國和俄羅斯在應(yīng)用智能水下機器人完成海洋環(huán)境探測，特別是海洋地質(zhì)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取等方面成果顯著；法國和挪威在應(yīng)用智能水下機器人完成海底管道的探測、海底地形地貌的探測方面業(yè)績突出[9]。

2.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

我國在多波束探測技術(shù)方面的研究起步較晚，直到20世紀80年代末，中國科學院聲學研究所和天津海洋測繪研究所聯(lián)合研制成861型多波束探測聲吶實驗樣機。到20世紀90年代初，國家有關(guān)部門從國防安全和海洋開發(fā)的戰(zhàn)略需要出發(fā)，委托哈爾濱工程大學主持，海軍天津海洋測繪研究所和原中船總721廠參加，聯(lián)合研制了用于中海型的多波束測深系統(tǒng)。2006年，哈爾濱工程大學成功研制了我國首臺便攜式高分辨淺水多波束測深系統(tǒng)，測量結(jié)果滿足IHO國際標準要求，這種小型的低功耗多波束探測系統(tǒng)是在AUV上應(yīng)用的基礎(chǔ)，鑒定專家認為其主要技術(shù)指標達到當時國際同類產(chǎn)品先進水平，具有極大的推廣價值[10]。

如今隨著國內(nèi)水下機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在研制多波束系統(tǒng)的同時將多波束系統(tǒng)嵌入水下機器人，完善了水下機器人的工作能力并且更好地發(fā)揮了多波束系統(tǒng)的功能。哈爾濱工程大學水下機器人技術(shù)重點實驗室進行了近20年的AUV技術(shù)方面的研究，研制了多款“智水”系列AUV及探測型潛水器，實現(xiàn)了多種水下自主作業(yè)演示試驗，并在國內(nèi)最早嘗試將多波束測深系統(tǒng)應(yīng)用在智能水下機器人上，實現(xiàn)了海底地形地貌的自主探測與掃描。綜合探測AUV及其探測的不同海域地形如圖9所示。

圖9 綜合探測AUV及其探測的不同海域地形

由天津大學和中海油田服務(wù)有限公司合作研發(fā)的3 000 m潛深水下機器人TUCOS-I便搭載Kongsberg EM 2040型號多波束系統(tǒng)執(zhí)行深海地勢地質(zhì)測量任務(wù)[11]。TUCOS-I智能水下機器人聲吶系統(tǒng)組成如圖10所示。TUCOS-I水下機器人在水下執(zhí)行任務(wù)時，會向EM 2040多波束系統(tǒng)提供瞬時姿態(tài)、位置、艏向等運動參數(shù)以及高度信息和即時聲速信息，以便多波束系統(tǒng)整合探測信息。

圖10 TUCOS-Ⅰ 智能水下機器人聲吶系統(tǒng)組成

圖11為哈爾濱工程大學研制開發(fā)的300 kg級小型AUV。為了實現(xiàn)在海洋資源考察、海底地形地貌探測、海洋數(shù)據(jù)采集等方面所需要的高精度需求，該AUV除了搭載常規(guī)的側(cè)掃聲吶系統(tǒng)外，也配備了GeoSwath Plus多波束系統(tǒng)，實現(xiàn)了小型化、智能化、高精度的水下地形探測系統(tǒng)。

圖11 300 kg水下機器人多波束系統(tǒng)布置圖

此外，國內(nèi)多家研究所和公司所研發(fā)的水下機器人也搭載多波束系統(tǒng)，雖然實際應(yīng)用仍在初步階段，但是對其探測系統(tǒng)的研究在不斷發(fā)展。不僅是水下機器人，其他無人載體，例如水面無人艇，為了加強探測能力，也開始搭載多波束系統(tǒng)。實現(xiàn)多波束系統(tǒng)在無人載體中的應(yīng)用同樣解決了傳統(tǒng)船載多波束探測存在的問題。

3 應(yīng)用中的問題及展望

實現(xiàn)多波束系統(tǒng)在智能水下機器人中的應(yīng)用，需要綜合考慮多波束系統(tǒng)和水下機器人載體二者的工作原理和特性，進行探測前的校準準備工作以及路徑規(guī)劃工作都與傳統(tǒng)多波束探測有差異。因此，在實際應(yīng)用過程中，可能存在以下問題：

(1) 多波束系統(tǒng)在水下機器人中的布置方式不同于傳統(tǒng)船載多波束系統(tǒng)。搭載試驗設(shè)備的水面實驗船一般體積較大、吃水較深，多波束系統(tǒng)的安裝位置對載體船的航行性能基本不會產(chǎn)生影響，因此在進行設(shè)備安裝時只需要滿足多波束系統(tǒng)的工作要求即可。但是，AUV是一種小型水下探測載體，多波束系統(tǒng)的布置會對載體的航行性能產(chǎn)生影響，因此在安裝時要綜合AUV載體和多波束系統(tǒng)的兩方面要求進行分析和布置，以保證地形探測任務(wù)的正常進行。

(2) 船載多波束系統(tǒng)進行實時探測過程中，外圍設(shè)備如GPS、姿態(tài)傳感器等設(shè)備與多波束系統(tǒng)的控制計算機直接連接，多波束系統(tǒng)直接接收相關(guān)信息數(shù)據(jù)，融合生成地形信息。然而對于AUV來說，深度計、高度計、GPS和姿態(tài)傳感器等設(shè)備的信息要首先由AUV的控制計算機獲取，保證載體的正常工作，而后外圍設(shè)備的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給多波束系統(tǒng)進行信息融合。這個過程中會產(chǎn)生信息獲取的時間延遲，導致探測結(jié)果存在誤差，減小時延誤差是實際應(yīng)用過程中的重要環(huán)節(jié)。

(3) 在進行探測任務(wù)時，船載多波束系統(tǒng)可以根據(jù)需要實時改變航線，但是AUV在進行探測之前需完成探測路徑的規(guī)劃工作。需要結(jié)合實際水域情況、AUV航行性能以及多波束系統(tǒng)的工作要求三方面進行分析規(guī)劃，以保證探測工作的順利完成。

近年來，隨著海洋油氣工業(yè)的發(fā)展，特別是深海油氣工程的發(fā)展，對海洋調(diào)查、海底考察、海底管線探測等方面的需求越來越大。AUV已經(jīng)成為支撐深海探查和開發(fā)深海資源、開展深海科學研究、輔助進行深海工程作業(yè)的重要技術(shù)手段和裝備之一。我國也正在加快海洋油氣資源的勘探開發(fā)，迫切需要在海洋油氣管道鋪設(shè)前進行海底調(diào)查、鋪設(shè)中的狀態(tài)監(jiān)測、鋪設(shè)后及使用過程中的狀態(tài)檢測等工作。AUV搭載多波束探測系統(tǒng)以其低成本、高精度和高效率的性能優(yōu)勢備受關(guān)注，對其研究和應(yīng)用將成為深海探測領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)智能水下機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，將多波束系統(tǒng)應(yīng)用到水下機器人中可以更好地發(fā)揮其水下探測能力。但是在國內(nèi)，多波束系統(tǒng)在水下機器人中的應(yīng)用技術(shù)仍然處在探索階段，需要在理論基礎(chǔ)上進行大量試驗以優(yōu)化其應(yīng)用效果，并且需要自主研發(fā)適合AUV搭載的低功耗小型多波束系統(tǒng)，才能真正實現(xiàn)將多波束系統(tǒng)融合在水下機器人的無人系統(tǒng)中，完美地進行水下地形探測工作。

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Application Prospect of Multi-Beam Echosounder on AUV

SUN Yushan1,2, LI Youren1,2, SHENG Mingwei1,2，PANG Yongjie1,2, ZHANG Guocheng1,2

(a.Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory,b. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China )

Traditional shipborne MBES has many problems such as low precision, high cost and low efficiency when it is used for deep-sea exploration, and it can’t fully meet the needs of deep-sea exploration. It has become an important development trend to use Autonomous Underwater Vehile(AUV) for deep-sea exploration and investigation. The defects of the traditional operation mode of the MBES and the advantage of the MBES equipped on the AUV for deep-sea exploration integrating the feature of the AUV are analyzed.The domestic and foreign application status are introduced. The problems which may be encountered during the application and the prospect of this research are proposed.

Autonomous Underwater Vehicle(AUV); multibeam echosounder; application prospect

2016-05-23

國家“863”計劃資助項目(2011AA09A106)

孫玉山(1973-)，男，副教授

1001-4500(2017)02-0014-07

P75

A