胡 測(cè)，魯 鵬，彭 俊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

一種適應(yīng)多目標(biāo)的深海探測(cè)打撈系統(tǒng)研究

胡 測(cè)，魯 鵬，彭 俊

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003)

針對(duì)一般的水下機(jī)器人難以有效地實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)的水下沉物打撈問(wèn)題，研制一種高機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)多種目標(biāo)的深海探測(cè)打撈系統(tǒng)。該系統(tǒng)配備多個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)水下打撈作業(yè)的靈活控制，安裝5功能液壓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)小體積沉物的打撈，設(shè)計(jì)專(zhuān)用打撈工具，實(shí)現(xiàn)大體積、大質(zhì)量沉物的打撈。針對(duì)不同沉物目標(biāo)給出了具體的打撈方法，為深海沉物的打撈系統(tǒng)研制提供借鑒。

深海；探測(cè)打撈；專(zhuān)用打撈工具；打撈方法

0 引 言

水下探測(cè)打撈系統(tǒng)是一種重要的水下無(wú)人系統(tǒng)，在民用和軍用領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。在民用領(lǐng)域，隨著頻繁的海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和科學(xué)研究，不斷有潛水器、海洋探測(cè)儀器等貴重海洋工程設(shè)備丟失，需要對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)打撈、獲取數(shù)據(jù)、查找丟失原因[1–2]。同時(shí)飛機(jī)、輪船沉沒(méi)事故不斷發(fā)生，飛機(jī)失事后需要探測(cè)打撈黑匣子，分析出事原因；輪船沉沒(méi)需要打撈出重要物品。在軍用領(lǐng)域，海軍部隊(duì)在進(jìn)行海上訓(xùn)練、執(zhí)勤時(shí)，不可避免發(fā)生訓(xùn)練目標(biāo)或測(cè)量?jī)x器丟失事故，設(shè)備丟失后必須要進(jìn)行打撈，以分析失敗原因、保護(hù)國(guó)家秘密。因此，十分必要研究一種專(zhuān)用深海探測(cè)打撈系統(tǒng)，以滿(mǎn)足日益緊張的水下打撈作業(yè)需求。

水下探測(cè)打撈系統(tǒng)要能適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，須具備高效推進(jìn)、靈活的空間運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)能在有限的空間配置不同的傳感器和打撈工具以滿(mǎn)足環(huán)境探測(cè)、目標(biāo)識(shí)別、水下航行和水下打撈的需要[3]。國(guó)外比較著名的CURV系列機(jī)器人是典型的打撈系統(tǒng)，成功完成了丟失氫彈的深海打撈，開(kāi)創(chuàng)了無(wú)人系統(tǒng)水下打撈的先例。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年的研究，先后研制出自走式海纜埋設(shè)機(jī)CISTAR、“海龍”號(hào)、8A 4等水下作業(yè)機(jī)器人，這些機(jī)器人以探測(cè)為主，雖然具備一定的水下打撈能力，但不能滿(mǎn)足打撈設(shè)備多樣性的需求[4–5]。

本文設(shè)計(jì)的探測(cè)打撈系統(tǒng)采用4個(gè)主推進(jìn)器、3個(gè)垂直推進(jìn)器的組合方式實(shí)現(xiàn)打撈作業(yè)時(shí)靈活的運(yùn)動(dòng)控制，配備5功能液壓機(jī)械手和專(zhuān)用打撈工具，可實(shí)現(xiàn)水下小物體、大體積物體以及重載沉物的打撈。

1 深海探測(cè)打撈系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

深海探測(cè)打撈系統(tǒng)采用開(kāi)放型結(jié)構(gòu)，便于設(shè)備搭載、推進(jìn)器布置和各設(shè)備安裝調(diào)試，最優(yōu)地發(fā)揮各設(shè)備功能。系統(tǒng)由潛航體框架、浮力組件、綜合控制裝置、高壓直流能源裝置、探測(cè)識(shí)別裝置、推進(jìn)器、打撈作業(yè)裝置組成。系統(tǒng)設(shè)計(jì)150 kg剩余浮力，以滿(mǎn)足不同情況下的設(shè)備搭載需求。系統(tǒng)如圖1所示，設(shè)備工作深度見(jiàn)表1。

1.2 推進(jìn)裝置

深海探測(cè)打撈系統(tǒng)在海底打撈作業(yè)時(shí)需要良好的機(jī)動(dòng)性、抗流能力和控位能力，本文采用多推進(jìn)器組合推進(jìn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。推進(jìn)裝置布置時(shí)盡量保證水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)不耦合[6]，減少附加運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的控制難度；保證機(jī)器人具有良好的直線(xiàn)航行能力、原地旋轉(zhuǎn)能力和左右平移能力，機(jī)器人同時(shí)要滿(mǎn)足垂直運(yùn)動(dòng)和打撈作業(yè)時(shí)姿態(tài)平穩(wěn)。因此，水平方向采用4推進(jìn)器環(huán)形45°的配置方式；中心垂直面60°對(duì)稱(chēng)布置里2個(gè)推進(jìn)器；尾部垂向布置1個(gè)垂直推進(jìn)器，當(dāng)機(jī)械手伸出作業(yè)時(shí)減小縱傾角，保持系統(tǒng)姿態(tài)平穩(wěn)。推進(jìn)裝置布置方式如圖2所示。

1.3 探測(cè)識(shí)別裝置

探測(cè)識(shí)別裝置實(shí)現(xiàn)打撈目標(biāo)的搜索和二次定位，并輔助打撈作業(yè)。該裝置由聲吶、彩色攝像機(jī)、照明燈及可俯仰機(jī)構(gòu)組成。聲吶和彩色攝像機(jī)固定支架上，照明燈分布于攝像機(jī)兩側(cè)并盡量遠(yuǎn)離攝像機(jī)，構(gòu)成探測(cè)裝置[7–8]。探測(cè)裝置固定在機(jī)器人的前部，在目標(biāo)搜索、識(shí)別、打撈過(guò)程中可隨時(shí)調(diào)節(jié)俯仰機(jī)構(gòu)輔助打撈作業(yè)。

1.4 打撈作業(yè)裝置

打撈作業(yè)裝置是深海探測(cè)打撈系統(tǒng)核心裝置，包括大功率5功能液壓機(jī)械手和專(zhuān)用打撈工具。通過(guò)機(jī)械手和專(zhuān)用工具的配合可實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)、輕載和重載3種沉物的打撈。水下小目標(biāo)打撈時(shí)直接控制械手抓??；輕載打撈由機(jī)械手控制捕捉器捕捉目標(biāo)，然后操控打撈系統(tǒng)返回母船，通過(guò)連接打撈目標(biāo)的細(xì)鋼絲繩實(shí)現(xiàn)打撈；重載打撈由重載打撈轉(zhuǎn)接器，專(zhuān)用起吊竿和重載打撈繩索配合完成[9–10]。水下打撈示意圖見(jiàn)圖4。

2 水下打撈方法及流程

探測(cè)打撈系統(tǒng)完成打撈作業(yè)包括目標(biāo)的搜索識(shí)別、打撈工具的掛放和目標(biāo)的打撈回收3個(gè)過(guò)程，同時(shí)打撈目標(biāo)的不同，具體打撈方法存在差異。

2.1 小目標(biāo)打撈

打撈目標(biāo)為黑匣子等質(zhì)量、體積較小的目標(biāo)時(shí)，水下打撈主要依靠液壓機(jī)械手完成，通過(guò)操控探測(cè)打撈系統(tǒng)和機(jī)械手配合可完成打撈工作。具體流程為：1）確定打撈區(qū)域；2）布放探測(cè)打撈系統(tǒng)；3）聲吶搜索目標(biāo)；4）搜索到疑似目標(biāo)后抵近目標(biāo)，開(kāi)啟照明燈和攝像機(jī)識(shí)別目標(biāo)，并觀察周邊環(huán)境；5）打撈目標(biāo)確認(rèn)后，操控打撈系統(tǒng)，控制機(jī)械手打撈目標(biāo)；6）回收打撈系統(tǒng)，流程如圖5所示。

2.2 輕載打撈

當(dāng)打撈目標(biāo)質(zhì)量大于40 kg或尺寸超出機(jī)械手手抓尺寸時(shí)，需要輕載打撈工具實(shí)現(xiàn)打撈。通過(guò)探測(cè)打撈系統(tǒng)、機(jī)械手和專(zhuān)用工具的配合可完成打撈作業(yè)，具體方法如下：1）確定打撈目標(biāo)；2）拆掉機(jī)械手手爪關(guān)節(jié)，安裝輕載捕捉器；3）打撈系統(tǒng)自檢完畢入水；4）打撈系統(tǒng)向目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)啟聲吶搜索目標(biāo)；5）發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)后抵近確認(rèn)目標(biāo)；6）目標(biāo)確認(rèn)后控制打撈系統(tǒng)保持平穩(wěn)，操作機(jī)械手控制捕捉器捕捉目標(biāo)；7）攝像機(jī)確認(rèn)目標(biāo)捕捉完成后，探測(cè)打撈系統(tǒng)后退并控制機(jī)械手松開(kāi)捕捉器；8）操控打撈系統(tǒng)上浮，小絞車(chē)系放細(xì)鋼索；9）打撈系統(tǒng)回收完畢后，通過(guò)細(xì)鋼索打撈輕載目標(biāo)。具體打撈流程如圖6所示。

2.3 重載打撈

重載打撈時(shí)，目標(biāo)可為無(wú)錨索目標(biāo)和攜帶錨索裝置的目標(biāo)兩類(lèi)。攜帶錨索裝置目標(biāo)打撈只需通過(guò)打撈系統(tǒng)攜帶錨鏈破斷器破斷錨鏈，目標(biāo)浮出水面即可完成打撈。無(wú)錨索目標(biāo)打撈時(shí)，具體打撈方法如下：1）確定打撈目標(biāo)；2）拆掉機(jī)械手手爪關(guān)節(jié)并安裝捕捉器；3）打撈系統(tǒng)自檢完畢入水；4）打撈系統(tǒng)向目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，開(kāi)啟聲吶搜索目標(biāo)；5）發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)后抵近確認(rèn)目標(biāo)；6）目標(biāo)確認(rèn)后控制打撈系統(tǒng)保持平穩(wěn)，操作機(jī)械手控制捕捉器捕捉目標(biāo)尾翼；7）通過(guò)攝像機(jī)確認(rèn)目標(biāo)捕捉完成后，探測(cè)打撈系統(tǒng)后退并控制機(jī)械手松開(kāi)夾具；8）操控探測(cè)打撈系統(tǒng)上浮，打撈系統(tǒng)的小絞車(chē)系放鋼索；9）通過(guò)細(xì)鋼索安裝攜帶粗鋼索的重載轉(zhuǎn)接器，重載轉(zhuǎn)接器沿著細(xì)鋼索下滑與起吊竿對(duì)接；10）對(duì)接完成后通過(guò)粗鋼索打撈。重載打撈流程如圖7所示。

3 探測(cè)打撈試驗(yàn)

系統(tǒng)調(diào)試完畢后，針對(duì)不同打撈目標(biāo)開(kāi)展了打撈試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和打撈性能。

3.1 小目標(biāo)打撈

選定一開(kāi)闊水域，分別布放一類(lèi)似海底鎧裝電纜沉底目標(biāo)和一小型懸浮目標(biāo)，分別開(kāi)展了打撈試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，探測(cè)打撈系統(tǒng)先通過(guò)前視聲吶大范圍搜索目標(biāo)，遠(yuǎn)距離發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)后抵近觀察，通過(guò)攝像機(jī)確認(rèn)為打撈目標(biāo)后，操作打撈系統(tǒng)的水下姿態(tài)位置和機(jī)械手的動(dòng)作完成目標(biāo)的抓取，抓取成功后控制打撈系統(tǒng)上浮完成打撈作業(yè)。典型目標(biāo)打撈如圖8所示。

3.2 輕載目標(biāo)打撈

選定一寬闊、水底相對(duì)干凈的水域，布放一重300kg，直徑為533mm的典型航行器目標(biāo)。探測(cè)打撈系統(tǒng)自檢完畢后，將機(jī)械手手抓關(guān)節(jié)替換為捕捉器。系統(tǒng)布放入水，開(kāi)啟前視聲吶搜索目標(biāo)，聲吶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，操作推經(jīng)裝置使打撈系統(tǒng)抵近目標(biāo)，通過(guò)攝像機(jī)確認(rèn)目標(biāo)控制探測(cè)打撈系統(tǒng)水中位置及姿態(tài)，操作機(jī)械手捕捉目標(biāo)，目標(biāo)捕捉完畢后系統(tǒng)浮出水面，通過(guò)細(xì)鋼索直接打撈目標(biāo)。水下輕載捕捉如圖9所示。

3.3 重載目標(biāo)打撈

選定一合適水域，布放一重1 t，外形不規(guī)則海工設(shè)備目標(biāo)。探測(cè)打撈系統(tǒng)自檢完畢后，將機(jī)械手手抓關(guān)節(jié)替換為捕捉器。系統(tǒng)布放入水，開(kāi)啟前視聲吶搜索目標(biāo)，聲吶發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，操作推經(jīng)裝置使打撈系統(tǒng)抵近目標(biāo)，通過(guò)攝像機(jī)確認(rèn)目標(biāo)控制探測(cè)打撈系統(tǒng)水中位置及姿態(tài)，操作機(jī)械手捕捉目標(biāo)，目標(biāo)捕捉完畢后系統(tǒng)浮出水面并釋放細(xì)鋼索，通過(guò)細(xì)鋼索掛放重載打撈轉(zhuǎn)接器，重載打撈轉(zhuǎn)接器順著細(xì)鋼索下滑鎖住起吊竿，與目標(biāo)連為一體，通過(guò)與重載轉(zhuǎn)接器相連的粗鋼索直接打撈目標(biāo)。重載轉(zhuǎn)接器捕捉目標(biāo)如圖10所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)一般水下機(jī)器人難以滿(mǎn)足水下多類(lèi)沉物打撈作業(yè)的問(wèn)題，提出了一種探測(cè)打撈系統(tǒng)，系統(tǒng)在有限的空間里配備多推進(jìn)器以提高打撈作業(yè)控位能力，安裝5功能液壓機(jī)械手以實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)打撈。同時(shí)充分利用機(jī)械手的靈活性，設(shè)計(jì)與之匹配的捕捉器用于目標(biāo)捕捉，并設(shè)計(jì)重載打撈轉(zhuǎn)接器、起吊竿、水下絞車(chē)等專(zhuān)用打撈工具，實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)的沉物目標(biāo)打撈。針對(duì)不同種類(lèi)打撈目標(biāo)，本文給出了打撈方法和試驗(yàn)結(jié)果，為水下沉物打撈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

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Research on a deep sea detection and salvage system adapted to multip le targets

HU Ce,LU Peng,PENG Jun
(The710Research Institute of CSIC,Yichang 443003,China)

In order to solve the problem of general underwater robot can not effectively salve underwater target,we develop a deep-sea salvage system with high flexibility and adaptability.The system installs a number of thrusters to achieve the flexible control ability of underwater salvage.After this,it equips with five function hydraulic manipulator to salve small volume target and special salvage tools to achieve large volume and high quality target salvage.Then,the salvage methods for different targets are given which can be used as reference in deep-sea salvage system design.

deep-sea；diction and salvage；special salvage tools；salvage methods

TP273

A

1672–7649(2017)12–0095–05

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.020

2017–04–22；

2017–07–12

胡測(cè)(1987–)，男，碩士研究生，工程師，主要從事水下航行器控制系統(tǒng)研究。