陳祥蘭 梁浩楊

摘要：針對海上風(fēng)電水下探測的技術(shù)需求，設(shè)計了一種采用多種探測掃測巡檢技術(shù)相融合的水下探測機器人，在進行海上風(fēng)電場風(fēng)機水下設(shè)施探測檢修時，可在3級海況條件下，多角度呈現(xiàn)精確探查風(fēng)機樁基海纜入泥角的水下狀況，為海上風(fēng)電安全運維工作提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；水下機器人；精準(zhǔn)懸??；遠(yuǎn)程供電

中圖分類號：TP242.3文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492 （ 2022 ） S1-0009-04

Offshore Wind Underwater Detection Robot Precise Levitation Control Technology

Chen Xianglan，Liang Haoyang

（Guangdong Jingyi Equipment Technology Co.， Ltd.， Dongguan 523808， China）

Abstract： In view of the technical requirements for underwater detection of offshore wind power， an underwater detection robot was designed that integrated multiple detection， scanning， inspection and patrol technologies. When conducting detection and maintenance of underwater facilities of offshore wind farm wind turbines， it can accurately detect the underwater condition of submarine cable entering the mud corner of wind turbine pile foundation from multiple angles under the level 3 sea conditions， providing decision-making basis for safe operation and maintenance of offshore wind power.

Key words： offshore wind； Underwater robot； Precise levitation； Remote power supply

0引言

隨著海洋資源不斷開發(fā)，海上風(fēng)電的發(fā)展，海上風(fēng)電運維水下機器人已成為開發(fā)海洋的重要工具。我國水下機器人產(chǎn)業(yè)化近幾年有加快發(fā)展趨勢，在海上風(fēng)電智能運維領(lǐng)域走出國門，進軍國際海風(fēng)市場，但縱觀全球，美國與日本水下機器人技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化水平遠(yuǎn)高于我國，隨著水下機器人能源供給、精準(zhǔn)定位導(dǎo)航、高強輕質(zhì)材料等技術(shù)都取得了重大突破，水下機器人領(lǐng)域市場需求增加，美日兩國具有一定競爭優(yōu)勢。目前，海上風(fēng)電和海洋牧場養(yǎng)殖等領(lǐng)域?qū)λ聶C器人需求激增，突破水下機器人“卡脖子”難題刻不容緩，海上風(fēng)電投入運行迫切需要智能水下機器人進行智能檢維修工作，包括基礎(chǔ)沖刷檢測掃測、沖刷修復(fù)、傾斜檢測、基礎(chǔ)防腐修復(fù)、海纜檢測等。在發(fā)展智慧海洋的戰(zhàn)略助推下，我國對水下機器人的需求仍將擴大，預(yù)計至2025年還有2～3倍的增長空間，市場潛力正在不斷釋放，未來前景廣闊。

為此，本文開發(fā)一款采用多融合巡檢技術(shù)的海上風(fēng)電水下機器人，能夠有效降低作業(yè)風(fēng)險，提高海上風(fēng)電作業(yè)效率。

1水下機器人方案設(shè)計

海上風(fēng)電水下探測機器人機體小、運動靈活，適應(yīng)復(fù)雜的海風(fēng)場水下環(huán)境，采用內(nèi)腔開架式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部搭載多波束掃測系統(tǒng)、超短基線水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)、二維成像聲吶系統(tǒng)、照明光學(xué)和攝像拍照系統(tǒng)等。

海上風(fēng)電水下探測運維機器人由岸基電源系統(tǒng)、水下電源系統(tǒng)、水下機器人控制系統(tǒng)、水下定位導(dǎo)航系統(tǒng)、水下攝像照明系統(tǒng)、海上風(fēng)電水下探測機器人控制器、零浮力供電通訊線纜等部分組成。

海上風(fēng)電水下探測機器人系統(tǒng)電氣框圖如圖1所示。

2海上風(fēng)電熟悉探測機器人精準(zhǔn)懸浮控制系統(tǒng)設(shè)計

為了能更好適應(yīng)3級海況，海上風(fēng)電水下探測機器人配置8個矢量推進器，水平方向4個推進器，垂直方向4個推進器。

設(shè)計控制系統(tǒng)軟件，自動控制機器人水平和垂直方向矢量推進器正反轉(zhuǎn)和速度來實現(xiàn)機器人在左右平移、上浮和下潛。矢量推進器自動控制軟件系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計有自動駕駛功能，采用“模糊控制器”算法。利用模糊控制器實現(xiàn)機器人平臺絕對速度和航向角的閉環(huán)控制，速度和航向角通過岸基控制臺操縱桿信號融合機器人控制系統(tǒng)擴展卡爾曼濾波算法后給定，以400 Hz的頻率與機器人傳感器系統(tǒng)測得的速度與方向角進行比較，經(jīng)模糊控制系統(tǒng)算法將目標(biāo)速度值與方向角值轉(zhuǎn)換為機器人平臺矢量推進器控制量，輸出給推進器轉(zhuǎn)速，最終通過水流反作用力轉(zhuǎn)化為機器人潛行速度和潛行方向角，依靠矢量推進器輸出推力實現(xiàn)機器人在水下的姿態(tài)調(diào)整，從而實現(xiàn)機器人平臺的自主控制。

控制系統(tǒng)實時監(jiān)測機器人平臺上各功能模塊的實時工況，控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計有自動斷路保護、絕緣告警、進水報警、過溫告警和過流告警等保護措施，自動對機器人平臺進行故障保護。避免因為機器人對抗浪流或海底剮蹭造成的運動機構(gòu)失效甚至傾覆的風(fēng)險。水下推進器的測試參數(shù)如表1所示。

3水下機器人視覺識別算法設(shè)計

通過水下光學(xué)成像原理，從改良的圖像預(yù)處理方法入手，針對海上風(fēng)電水下區(qū)域的實際工況、水下圖像對比度低、灰度集中、水對光的選擇性吸收等特點，根據(jù)采集的大量水下視頻數(shù)據(jù)集，對圖像中的水下設(shè)施進行標(biāo)定，并采用R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型對數(shù)據(jù)集進行全像素特征采集，獲得語義分割的監(jiān)測模型，通過模型對實際水下環(huán)境進行巡檢，自動識別區(qū)域內(nèi)的水下設(shè)施。

通過對底聲吶和二維多波束聲吶獲取的對底距離和場景位置信息，對海上風(fēng)電風(fēng)機樁基、海纜、入泥角等水下檢測與成像系統(tǒng)的模型進行構(gòu)造，并以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出水底平面坐標(biāo)系關(guān)系，獲取海上風(fēng)電樁基和海纜關(guān)鍵設(shè)備的位置，將該估計值作為目標(biāo)位置的估算，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過進一步融合機器人上的水下定位位置信息，獲取水下目標(biāo)位置坐標(biāo)信息，實現(xiàn)對海上風(fēng)電水下設(shè)施海纜的水下位置監(jiān)測。

4水下高清攝像頭及輔助燈光照明系統(tǒng)設(shè)計

針對水下光學(xué)成像中水體對部分光譜吸收強的特點，設(shè)計水下高清攝像頭，使用超低感光強度的CMOS感光芯片作為光電轉(zhuǎn)換器，輸出彩色圖像下為0.001Lux@F1.2，輸出黑白圖像下為0.0001Lux@F1.2。采用綠光頻段透過率高的濾光片作為感光自動切換，提高在水下環(huán)境中的圖像清晰度。水下光學(xué)攝像機在室內(nèi)游泳池清水環(huán)境中測試的可視距離超過3 m。圖像處理芯片為國產(chǎn)華為海思處理器，實現(xiàn)1080P彩色高清圖像的實時傳輸，傳輸帶寬為100 Mbit/s。

針對海上風(fēng)電水下作業(yè)需求，使用雙線四線步進微型馬達(dá)控制鏡頭進行變倍、變焦，變倍數(shù)為5倍，實現(xiàn)機器人對水下目標(biāo)的清晰監(jiān)測。

使用金屬微型減速器與非接觸磁感位置傳感器控制攝像頭模組的俯仰，角度范圍為90°，實現(xiàn)機器人對水下目標(biāo)監(jiān)測時必要的角度與距離調(diào)整。

機器人設(shè)計搭載2個LED燈，經(jīng)試驗，使用2 700～3 000 K的色溫的LED燈珠作為輔助燈光照明光源時水下圖像的色彩還原效果、背景細(xì)節(jié)的分辨率最佳。單個照明強度為3 000流明，使用恒流驅(qū)動，通過PWM控制燈光強度。由控制系統(tǒng)對每個照明燈進行單獨控制。根據(jù)海上風(fēng)電實際工作環(huán)境下的水質(zhì)條件，燈光強度可線性調(diào)節(jié)從0～100%。

5海上風(fēng)電水下探測機器人定位技術(shù)開發(fā)

海上風(fēng)電水下機器人在進行水下探測掃描時，遙控操作員需要通過岸基監(jiān)控控制系統(tǒng)進行操控機器人工作，為提高平臺自身的安全和控制方法的有效性，水下機器人搭載超短基線信標(biāo)，母船上安裝超短基線陣。在水下機器人自規(guī)劃路徑巡檢中，機器人自身可獲取實時位置信息保障安全的工作距離和有效的工作范圍，避免水下探測機器人誤入風(fēng)機樁基導(dǎo)管架內(nèi)部無法正常返回。

6海上風(fēng)電水下探測機器人安全保護機制

海上風(fēng)電水下探測機器人平臺從機械防御、硬件冗余、控制保護、軟件糾錯、冗余聲吶等實現(xiàn)安全保護機制。

（1）機械防水設(shè)計。海上風(fēng)電水下探測機器人控制系統(tǒng)電子模塊、水下電源系統(tǒng)、超亮LED燈等均安裝在合金材料的密封艙容器中。電源系統(tǒng)包裹在合金外殼之內(nèi)。合金外殼密度較大，可抵御400 m水深壓力，屏蔽外界電磁干擾，也防止內(nèi)部電磁信號發(fā)射出去對其他模塊的電子系統(tǒng)造成干擾。主要框架均采用金屬制造，具有較大承載能力和抗沖擊能力。

（2）硬件冗余設(shè)計。海上風(fēng)電水下探測機器人在硬件電路的設(shè)計過程中，針對易損壞的電路模塊采用多通道冗余設(shè)計，當(dāng)某一通道故障后，其他通道能夠代替故障通道，使硬件系統(tǒng)仍能正常工作。

（3）控制保護設(shè)計。海上風(fēng)電水下探測機器人所有電路模塊均設(shè)計了完善的過電壓、欠電壓、過電流、短路保護和過溫保護。水下機器人精準(zhǔn)懸浮控制機構(gòu)、測距裝置、攝像裝置等多個相對獨立的功能塊均通過工業(yè)CAN總線的方式連接到中央控制系統(tǒng)中。各模塊之間完全用電隔離。任一模塊電氣故障，都不會影響系統(tǒng)中其他模塊，保障系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作。

（4）測距裝置采用多重手段，除了對底測距聲吶，還有超短基線定位、前視二維聲吶測距和水深傳感器測深3種手段測量，實時獲知水下機器人對母船以及對底的距離、水下機器人相對母船位置，當(dāng)視聲吶距離小于安全距離時，控制系統(tǒng)主動停止該方向上的移動，避免發(fā)生碰撞，各個方向的測量數(shù)據(jù)實時反饋到岸基控制系統(tǒng)中，實時了解機器人位置狀況，適時進行人工控制。

7現(xiàn)場探測

海上風(fēng)電水下探測機器人進行海上風(fēng)電樁基海纜入泥角抵近觀察探測、35 kV集電海纜探測，根據(jù)海風(fēng)場提供的風(fēng)機建設(shè)定位和海纜路由數(shù)據(jù)，規(guī)劃測線，規(guī)劃海上風(fēng)電水下探測機器人探測導(dǎo)航路徑，保障按照預(yù)定航行路徑行走，完成水下探測掃測工作。圖2是海上風(fēng)電水下機器人進行海上風(fēng)電樁基二維掃測和側(cè)掃圖。圖3是海上風(fēng)電水下機器人進行海上風(fēng)電樁35 kV集電海纜纏繞漁網(wǎng)的二維掃測圖和攝像頭抵近觀察圖，海纜限彎器圖。圖4是海上風(fēng)電水下機器人進行海上風(fēng)電樁犧牲陽江二維掃測圖和抵近拍攝圖。

8結(jié)束語

海上風(fēng)電水下探測機器人機體小、運動靈活，在滿足3級海況條件下，適應(yīng)復(fù)雜的海風(fēng)場水下工作環(huán)境，采用二維多波束掃測、對底聲吶測距、水深傳感器測深、攝像頭抵近拍照、超短基線水下定位和側(cè)掃相結(jié)合的多種手段相結(jié)合的方法，獲得海上風(fēng)電風(fēng)機樁基、海纜、入泥角和犧牲陽極及海生物生長狀況的掃測探測和拍攝方法，這數(shù)種探測技術(shù)融合使用，最低成本化地、高效精準(zhǔn)地獲得海風(fēng)場風(fēng)機水下設(shè)施情況，為海上風(fēng)電安全運維工作提供決策依據(jù)。

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第一作者簡介：陳祥蘭（1973-），女，碩士，工程師，研究領(lǐng)域為水下機器人電氣系統(tǒng)、水下機器人多波束測深系統(tǒng)、水下機器人淺剖儀測深系統(tǒng)、水下清理探測機器人研發(fā)工作。

（編輯：刁少華）