平 偉，馬廈飛，張金華，黃永展，唐玉濤

(上海交通大學，上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司，上海 200231)

“海馬”號無人遙控潛水器

平 偉，馬廈飛，張金華，黃永展，唐玉濤

(上海交通大學，上海交大海洋水下工程科學研究院有限公司，上海 200231)

本文介紹了自主研發(fā)、國產化率90%、工作深度達4 500 m的”海馬”號無人遙控潛水器。首先介紹ROV作業(yè)系統(tǒng)構成，描述ROV總體設計，提出核心框架的設計理念，對ROV的電子控制系統(tǒng)進行說明和分析。最后，重點介紹自主研發(fā)的ROV控制系統(tǒng)軟件，并對該軟件的特點進行闡述。自主研發(fā)的深海作業(yè)型ROV“海馬”號，實現(xiàn)關鍵技術國產化，在海洋科學研究、海底資源調查、水下油氣工程、深海救助打撈以及水下軍事領域等方面具有重要的價值和戰(zhàn)略意義。

“海馬”號ROV；作業(yè)系統(tǒng)構成；總體設計；電子控制系統(tǒng)；自主開發(fā)控制軟件

0 引 言

海洋是國家綜合實力和高科技的競技場。深海作業(yè)系統(tǒng)是重要的海洋探查和作業(yè)平臺。它的研發(fā)使用，在全世界已有50多年的歷程。美、日、俄、法等國家已擁有從先進的水面支持母船，到可下潛3 000～11 000 m的潛水器系列裝備[1]。

與發(fā)達國家相比，我國在海洋探查技術裝備水平還存在一定差距。面向深海的諸多關鍵技術仍為少數(shù)發(fā)達國家所壟斷，即便進口，后續(xù)技術支持和技術服務也常常受制于人。目前國內海洋調查和海洋油氣工程上使用的作業(yè)ROV多以進口為主，最大作業(yè)深度為3 500 m。4 500 m是中國南海中央海盆的深度，更是一個具有中國海域特點的深度。這一深度，可以覆蓋我國南海98%的海域，研制這一深度級別的深海運載和作業(yè)設備，能夠滿足我國絕大部分深海探測和作業(yè)的相關需求。

上海交通大學是“海馬”號ROV的主要研制單位，以上海交大?？圃旱乃颅h(huán)境條件模擬實驗室為研發(fā)建造基地。該項目于2008年立項啟動，經過近6年的攻關，突破了本體結構、浮力材料、液壓動力和推進、作業(yè)機械手和工具、觀通導航、控制軟硬件、升沉補償裝置等關鍵技術，是我國迄今為止自主研發(fā)的下潛深度最大、國產化率最高的無人遙控潛水器系統(tǒng)，并實現(xiàn)了關鍵核心技術國產化，已達到國外同類先進ROV的技術水平。

1 ROV作業(yè)系統(tǒng)構成

“海馬”號ROV作業(yè)系統(tǒng)主要由甲板吊放回收系統(tǒng)、控制集裝箱、ROV本體（含水下作業(yè)工具系列）等部分組成，依托“海洋六號”作業(yè)母船開展試驗研究?？蓞⒁妶D1所示。

1.1 ROV作業(yè)支持母船

“海馬”號ROV的作業(yè)支持母船為“海洋六號”，隸屬廣州海洋地質調查局。該作業(yè)支持母船為ROV提供動力和動力定位（DP1），并且配備USBL超短基線定位系統(tǒng)，實現(xiàn)ROV的通信定位、甲板吊放回收等技術支持。

1.2 ROV甲板吊放回收系統(tǒng)

ROV吊放系統(tǒng)的系統(tǒng)構成如圖2 所示，主要由A型架、臍帶絞車、牽引絞車和交大研發(fā)的升沉補償器組成。

ROV吊放回收系統(tǒng)主要技術性能指標如下：

牽引絞車安全工作負荷 20 t；

適應纜徑 32.8 mm/17.3 mm；

纜速 0.6 m/s（牽引力20 t）；1.2 m/s（牽引力10 t）；

儲纜絞車儲纜容量 6 000 m（纜徑32.8 mm）/ 10 000 m（纜徑17.3 mm）；

自適應直角排纜；

深沉補償裝置最大補償幅度 ±2.5 m，安全工作負荷：12 t。

1.3 ROV本體

ROV本體構成如圖3 所示，主要技術性能指標如下：

最大工作深度 4 500 m；潛水器最大功率 130 hp；最大作業(yè)海況 4級；最大縱向航行速度 2.6 kn；五功能機械手；七功能機械手；有效載荷 260 kg；采樣籃底盤/海底觀測網布纜底盤；具有水下搜索、觀察、數(shù)據(jù)傳輸和記錄功能，提供作業(yè)工具接口。

1.3.1 ROV總體設計

總體設計是潛水器研發(fā)的關鍵，涉及到總體布置、材料科學、高壓密封技術、總體集成和試驗技術等諸多難點。

“海馬”號ROV采用核心框架結構設計，該結構設計4根中心核心立柱主要承受ROV本體重量及其他載荷，頂部布置浮力材料，系統(tǒng)水下穩(wěn)定。主要組成和布置如圖4所示。

1）主結構框架：主框架采用高強度鋁合金（6061–T6）焊接而成，強度具有足夠的安全裕度。

2）浮力材料塊：密度 0.53±0.02 g/cm3，耐全方位測試靜水壓強度 56.25 MPa；安裝于主結構框架的頂部。

3）工具樣品底盤或布纜底盤，安裝于主結構框架的底部下方。

4）機械手：5功能機械手和7功能機械手安裝于前方底部兩側。

5）推進器：8臺液壓馬達驅動導管螺旋槳推進器，水平面4臺，垂直面4臺。

6）液壓動力源：2臺電機驅動2個變量泵對稱安裝與底部左右兩側。

7）控制閥箱：共設計6個閥箱。分別為7功能伺服機械手控制閥箱，6功能機械手開關閥箱，2個4功能螺旋槳推進控制閥箱、云臺采樣籃控制閥箱，備用工具閥箱。

8）聲吶和信標系統(tǒng)：1部搜索聲吶，1部超短基線信標，1部無線電信標，1部閃光信標，位于器浮力材料前方，1部定高聲納位于框架底部。

9）水下燈：6只鹵素燈和2只HMI燈；尾部2只鹵素燈，浮力材料頂部2只鹵素燈，框架前部2只鹵素燈和2只HMI燈。

10）攝像系統(tǒng)：尾部云臺和浮力材料頂部各安裝1個彩色攝像頭，前部框架安裝1個高清和1個低照度攝像頭，前部云臺安裝1個彩色變焦攝像頭和1臺數(shù)碼相機。

11）云臺：首部2個自由度主云臺，尾部1個俯仰云臺。

12）電子艙：1個耐壓電子艙布置于框架底部后方。

13）變壓器箱：1個變壓器箱布置于框架核心底部。

14）電氣接口箱：1個臍帶終端艙和3個電氣接口箱，布置于框架核心支柱兩側和前部。

15）壓力補償器：6個2.5 L壓力補償器和1個0.5 L壓力補償器，安裝于四角支柱上。

16）油箱：1個液壓油箱位于框架前部。

主要設計特點：

“海馬”號ROV的框架結構采用6061-T6槽鋁焊接而成，它具備耐腐蝕性好、密度小、強度高等優(yōu)點。ROV的框架焊接工藝和焊接質量檢驗按照行內標準執(zhí)行。通過對ROV框架焊接試件進行18 t拉力等試驗后，對焊接試件的物理特性和質量進行考核。起吊結構使用的是316不銹鋼材料，316不銹鋼材料滿足強度要求之外，也滿足耐磨性需要。結構設計通過有限元分析計算，對ROV甲板存放、水中航行、吊放作業(yè)等不同工況時進行相關力學校核。

系統(tǒng)采用8臺推進器，其中4臺水平推進器和4臺垂直推進器分別采用矢量布置，保證了ROV有足夠動力的同時，具備更良好的操控性，滿足水下前進、后退、升沉、轉彎等功能要求。

“海馬”號ROV一共配備了包括1臺高清攝像機在內的9臺攝像機，9只水下燈，攝像照明系統(tǒng)與云臺配合使用具有觀測效果。布置時，從ROV運動平穩(wěn)性、攝像機的視距、視角、照明裝置的照度、水質情況等因素加以全面綜合考慮，以獲得合理的照明攝像配置。

系統(tǒng)配置了2套水下機械手。其中，五功能機械手位于本體左前位置，七功能機械手位于右前位置，在水下互相配合工作，可操作各種水下作業(yè)工具，執(zhí)行諸如海底取樣、線纜切割等水下作業(yè)任務。

研制過程中，解決了系統(tǒng)散熱、穿艙密封等眾多技術難點，研制出整體插拔式電子艙和各種耐壓結構，攻克了深海設備的重要環(huán)節(jié)，相關技術經過反復優(yōu)化設計和試驗。

1.3.2 ROV電子控制系統(tǒng)

基于安全方面、便于維護升級、添加傳感器節(jié)點方面的考慮，“海馬”號ROV的電子控制系統(tǒng)采用了透明分布式處理、多傳感器節(jié)點的組成架構[4]，如圖5所示。電控系統(tǒng)對所有電氣和信號進行隔離，確保各個部分相對獨立，增加了系統(tǒng)的可靠性，便于故障判斷和系統(tǒng)維護，同時擴充更多控制節(jié)點、利于系統(tǒng)升級改造。自主開發(fā)了高清采集、高清傳輸、高清顯示和保存高清攝像系統(tǒng)。

“海馬”號ROV的內部板卡將所采集到信息的原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿?，通過水面的上位機軟件進行原始數(shù)據(jù)進行處理，得到所需要的轉換后的數(shù)據(jù)。水下板卡不對數(shù)據(jù)進行任何形式的處理，僅進行濾波操作，水面部分根據(jù)端口以及協(xié)議的不同去處理數(shù)據(jù)，一方面能夠減小水下板卡對數(shù)據(jù)的處理壓力；另一方面，由水面處理數(shù)據(jù)，在檢測項目或者接口時，不需打開電子艙進行操作，僅僅打開接口箱進行跳線以及對上位機軟件進行維護即可，大大方便了設備維護以及設備的控制通信節(jié)點的增加以及更新升級。

電控系統(tǒng)對設備做了充分的狀態(tài)監(jiān)控，使得用戶能夠得到足夠的關于設備在水下狀態(tài)的信息，包括各個節(jié)點的電壓電流絕緣電阻等重要參數(shù)。這些參數(shù)包括各個輸出端口的電壓、電流，所有的供電接口均進行了在線絕緣檢測，能夠實時監(jiān)測水下設備電源安全性，防止由于絕緣問題導致的電源故障。

所有接口均進行了獨立的電源隔離與信號隔離，可以保證在部分功能因故障受損后，其他功能的影響達到最小。所有電源均為隔離單路電源，互相之間不受干擾，且可以獨立控制。內部通信采用了工業(yè)用串行總線形式，符合EIA規(guī)范所規(guī)定的物理層規(guī)范，能夠在較高的速率，較低的誤碼率下接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。

光端機輸出的6根光纖經過CWDM融合為1根光纖，減少了臍帶纜對光纖的壓力。同時，水面光端機部分有著能夠熱切換光纖通道的開關，當發(fā)現(xiàn)某一路光纖信號衰減比較大時，能夠實時進行光纖通道的時間，確保水下設備的通信不會中斷，提高了安全性。

攝像頭對于ROV來說，相當于ROV的眼睛，攝像頭所能夠獲得視頻信號的好壞，直接決定了ROV水下作業(yè)時的質量、效率以及后期處理時所能獲得的數(shù)據(jù)。“海馬”號ROV使用了HD-SDI接口進行視頻傳輸，使得水面上能夠獲得1080I的超高清的圖像信息，即視頻信號達到了廣播級水平?！昂ｑR”號ROV采用的HD-SDI攝像頭作為水下視頻源。該視頻信號通過了特制的水面接口傳送進電子艙，信號通過了一個能夠完成視頻信號的物理隔離的隔離器后，信號被送入HD-SDI光端機。HD-SDI光端機能夠將速度為1.485 Gb/s的信號快速的轉換為光信號，并傳送給水面部分。水面由1臺42寸高清顯示器供HD-SDI視頻信號顯示，1臺HD-SDI的視頻保存設備。

1.3.3 “海馬”號ROV控制系統(tǒng)軟件

“海馬”號ROV控制系統(tǒng)軟件是完全自主開發(fā)，該軟件以QNX實時操作系統(tǒng)作為開發(fā)平臺，采用分布式設計，安裝在主駕駛計算機和主控制計算機內。

主駕駛計算機提供了可視化，可觸屏操作的人機交互界面，如圖6所示。人機交互界面產生的操作指令通過網絡傳到主控制計算機，然后通過它內部安裝的MOXA卡發(fā)送操作指令到水面光端機。主控臺和便攜控制盒發(fā)送的操作指令也直接傳送到水面光端機。水面光端機通過光纖連接到ROV的臍帶纜，然后傳送到ROV電子艙內的水下光端機，從而實現(xiàn)對ROV本體上的不同設備進行可靠實時的分布式控制。

控制系統(tǒng)軟件可實現(xiàn)ROV的水下運動控制。ROV操作人員通過水面集裝箱內的操作手柄控制ROV水平方向和垂直方向運動。該軟件上還設計有自動定向，自動定高和自動定深等自動控制功能，在水下打撈，水下施工時可自動保持ROV的方向不變，距離水底的高度或距離水面的深度不變，方便操作人員控制水下機械手進行作業(yè)。

另外，控制系統(tǒng)軟件能夠監(jiān)測ROV上的艙體是否出現(xiàn)漏水，如果出現(xiàn)漏水情況，軟件會實時顯示出具體漏水告警信息并通過聲光信號提醒ROV操作人員，還能監(jiān)測高低壓絕緣情況和水面集裝箱內的配電情況，一旦高低壓絕緣值或配電參數(shù)值出現(xiàn)異常，軟件都會實時顯示出相應的告警信息，并通過聲光信號提醒ROV操作人員；補償器、深度計、高度計、電子羅盤、陀螺儀、加速度計等傳感器的數(shù)據(jù)也可以通過軟件實時記錄。對這些數(shù)據(jù)進行分析，就能夠獲取ROV在水下某個時刻的具體相關信息。借助這一軟件，技術人員曾經在海試時發(fā)現(xiàn)補償器油量不足，迅速采取相應補救措施，保障了海試順利完成。

除此之外，控制系統(tǒng)軟件還能控制ROV上的云臺動作，從而實現(xiàn)調整云臺上的攝像機觀察角度，還可以控制ROV上的鹵素燈，LED燈和HMI燈的開關，這些對于水下打撈，水下施工時尋找水下目標物提供了極大的便利。時間值、深度值、高度值、航向值、纜轉數(shù)、下潛次數(shù)、GPS或USBL提供的經緯度值等數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)揭曨l字符疊加器，在視頻畫面上實時疊加這些有用信息，集裝箱內配備有硬盤錄像機，可以錄制水下視頻圖像信息，方便以后進行回放和資料分析。

無論是在實驗室水池試驗階段，還是在南海進行的3個海洋試驗航段中，ROV控制系統(tǒng)軟件都體現(xiàn)出了高可靠性和高實時性等特點。“海馬”號ROV控制系統(tǒng)軟件是我國國內首套完全自主開發(fā)的具有完全知識產權的ROV控制軟件，為我國今后的ROV控制系統(tǒng)軟件國產化作出了探索性的貢獻。

2 結 語

“海馬”號ROV于2014年通過了“863”計劃海洋技術領域組織的海上試驗驗收，最大深度達到4 502 m?！昂ｑR”號的研制成功，標志著我國全面突破了深海無人遙控潛水器的相關核心技術，具備了自主開發(fā)能力，是我國深海技術裝備領域繼“蛟龍”號載人潛水器之后取得的又一標志性成果。通過進一步推動”海馬”號ROV示范應用和成果轉化，將有力推動相關配套產業(yè)發(fā)展，在我國深海資源開發(fā)和深?？茖W研究等海洋科學領域發(fā)揮重要的作用。

[1]任福君, 張嵐, 王殿君, 等. 水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 佳木斯大學學報(自然科學版), 2000, 18(4): 317–320.

[2]桑金. 觀察型水下機器人ROV系統(tǒng)配置研究[J]. 海洋測繪, 2012, 32(4): 81–84.

[3]ABS. Rules for building and classing underwater vehicles. systems and hyperbaric facilities. 2002.

[4]汪小龍, 葛運建, 張建軍, 等. 一種基于分布式信息融合技術的水下機器人智能感知系統(tǒng)方案[J]. 機器人, 2002, 24(5): 422–425.

HAIMA ROV

PING Wei, MA Xia-fei, ZHANG Jin-hua, HUANG Yong-zhan, TANG Yu-tao
(Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai Jiao Tong University Underwater Engineering Institute Co.,Ltd)

This paper introduces the ROV named Sea Horse, it is rated to a depth of up to 4 500 m in seawater. It is developed domestically, with 90% of its parts and components having been obtained locally. First, the formation of the ROV operation system is introduced. Then the general design of the ROV is described alongside the core frame design. Finally, the characteristics of the ROV control system's independently developed software is elaborated upon. The key technological components and parts of the ROV have been developed domestically, and have been proven successful through numerous deep sea trials. This ROV, while highly capable for ocean science research, seabed resource surveying, and underwater oil engineering, it also provides an immeasurable significance for future ocean exploration, ocean travel, deep sea salvage, and life saving purposes.

HAIMA ROV；the formation of ROV operation system；general design of ROV；electronic control system；the ROV control system software

文獻標識碼：A

1672 – 7649(2017)08 – 0138 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.029

2016 – 12 – 06

平偉(1984 – )，男，工程師，從事水下無人遙控潛水器(ROV)的機械設計研發(fā)和設備研發(fā)工作。