涂紹平，朱迎谷，項立揚，張中華，郭天翔

（上海中車艾森迪海洋裝備有限公司， 上海 201306）

0 引言

重型遙控水下機器人（remotely operated vehicle，ROV）是深海生態(tài)科學(xué)考察的利器，其能搭載機械手、鹽溫深測量系統(tǒng)（CTD）、采水瓶、淺剖儀、多波束測深儀及微生物/沉積物取樣器等深海探測傳感工具在海洋中展開巖石、泥土、水、生物等取樣及原位試驗，完成深海科考任務(wù)，是當(dāng)今綜合科考船必配裝備［1-2］。然而，目前國內(nèi)外的ROV主要集中在油氣工程施工應(yīng)用，缺乏科考作業(yè)的適應(yīng)性設(shè)計［3-4］。雖然國內(nèi)的ROV技術(shù)經(jīng)過科研人員的不斷研究，有了較大的進步，實現(xiàn)了深度的突破，但在應(yīng)用可靠性方面和科考操作實用性方面仍有待提高［5-7］。 上海中車艾森迪海洋裝備有限公司基于自主可控供應(yīng)鏈，圍繞深?？瓶甲鳂I(yè)要求，通過自排纜雙冗余驅(qū)動收放系統(tǒng)設(shè)計、符合科學(xué)家操作習(xí)慣的便捷分布式緊湊型水面供電控制系統(tǒng)設(shè)計、作業(yè)級4 000 m 輕量化水下機器人本體設(shè)計及組合多功能可拆卸的作業(yè)底盤系統(tǒng)設(shè)計，解決了深海科考作業(yè)機器人成套系統(tǒng)的部件受限問題，并成功研制了工程產(chǎn)品。本文介紹了該系統(tǒng)組成、基本功能和工作原理，以及ROV水面布放回收系統(tǒng)、水面供電及控制系統(tǒng)、機器人本體結(jié)構(gòu)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計方案，并對其進行工廠測試、4 000 m級海試和實際科考任務(wù)，充分驗證了該系統(tǒng)的可靠性及功能完整性。

1 4 000 m重型科考ROV成套系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

深?？瓶贾匦蚏OV 需要滿足一定海況下安全布放回收、水下航行及水下作業(yè)等要求，如圖1 所示，其主要由水面布放回收系統(tǒng)（LARS）、水面供電控制系統(tǒng)（CC）、ROV本體、ROV作業(yè)系統(tǒng)、維修間組成。其中LARS 通常由臍帶纜絞車、A 架、驅(qū)動液壓泵站（HPU）和LARS操控臺（CS）組成。

圖1 ROV 成套系統(tǒng)組成Fig.1 Composition for complete ROV system

各子系統(tǒng)部件作用如表1所示。

表1 ROV 系統(tǒng)組成及功能描述Tab.1 Components and functions of the ROV system

1.2 技術(shù)參數(shù)

ROV成套系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。該ROV系統(tǒng)的組成及布局設(shè)計可以更有效地利用母船空間和避免甲板焊接帶來的下層甲板著火風(fēng)險；通過150 hp@50 Hz適用性設(shè)計可提高水下抗流能力和穩(wěn)定性，真正發(fā)揮ROV作業(yè)動能；采用具有止蕩功能的雙電機驅(qū)動LARS 系統(tǒng)，收放纜速度達60 m/min，滿足4 級作業(yè)、5級回收的設(shè)計，保障了作業(yè)的安全性和高效性。

表2 ROV 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters of the ROV system

2 關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自排纜雙電機驅(qū)動LARS系統(tǒng)

LARS 系統(tǒng)框圖如圖2 所示。HPU 將690 V/50 Hz船電進行內(nèi)部分配，由2路斷路器、軟啟動器和電機組成液壓泵1 和液壓泵2 的驅(qū)動回路，產(chǎn)生液壓流體動能，每路回路設(shè)計輸出功率110 kW，兩路驅(qū)動回路可同時工作或只1 路工作，同時工作時達到滿載工況。HPU 輸出1 路壓力回路給絞車液壓閥組，輸出1 路壓

圖2 LARS 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of LARS

CS 通過HPU 配電獲取控制電源，為柜內(nèi)單元供電，并對絞車和A 架電控箱供電。CS 的PLC 控制單元通過以太網(wǎng)總線實現(xiàn)對HPU、絞車和A架信息的采集和遠程監(jiān)控，根據(jù)操作顯示單元和人機界面單元命令、臍帶纜的張力和收放長度等信息，發(fā)出絞車和A 架液壓執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動指令，并分別通過絞車電控箱的驅(qū)動比例閥控制卷筒馬達組的正反轉(zhuǎn)，由齒輪傳動實現(xiàn)卷筒正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)卷筒對臍帶纜的存儲和收放；通過驅(qū)動電磁閥控制排纜器馬達正反轉(zhuǎn)，由螺桿傳動實現(xiàn)排纜器左右移動；通過驅(qū)動比例閥控制左右主臂及其伸展臂的4路油缸，實現(xiàn)A架的伸縮和內(nèi)外擺動；通過驅(qū)動電磁閥控制止蕩器縱向阻尼油缸的伸縮，實現(xiàn)止蕩器縱向阻尼；通過驅(qū)動電磁閥控制閂鎖油缸的強制內(nèi)縮，實現(xiàn)閂鎖的開啟；通過驅(qū)動電磁閥控制止蕩器旋轉(zhuǎn)機構(gòu)馬達實現(xiàn)正反姿態(tài)調(diào)整。另外絞車靜態(tài)接線箱接入ROV 甲板臍帶纜，通過滑環(huán)將ROV 動力源和光電信號接入旋轉(zhuǎn)接線箱，由卷筒上纏繞的水下臍帶纜接出至ROV。力回路給A 架液壓閥組，并各自通過回油回路回到油箱和通過壓力敏感回路將壓力傳遞給調(diào)壓回路，分別回到液壓泵1和液壓泵2，實現(xiàn)多支路壓力和流量的獨立調(diào)節(jié)。而絞車卷筒馬達組外殼泄漏油直接回到油箱。

本文所研制的LARS 裝置如圖3 所示，HPU 位于最左側(cè)，通過集裝箱轉(zhuǎn)鎖快速與甲板預(yù)留鎖扣對接；絞車和A 架焊接在底座上；底座通過集裝箱轉(zhuǎn)鎖快速與甲板預(yù)留鎖扣對接，并與關(guān)鍵點副板焊接，避免甲板大面積焊接；CS 操作臺位于舷邊，方便操作人員觀測ROV的入水及回收。

圖3 LARS 裝置Fig.3 LARS equipment

2.2 便捷操作的分布式緊湊型CC系統(tǒng)

CC系統(tǒng)主要實現(xiàn)供電和水下監(jiān)控兩大功能，其根據(jù)自身特點分為低壓柜、高壓柜、控制柜1、控制柜2、操控臺和視頻墻，緊湊布置在20英寸標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)。CC供電設(shè)計方案如圖4 所示，低壓柜將船電380 V/50 Hz接入，經(jīng)過高壓柜升壓后通過臍帶纜接到水下接線箱，再分別為ROV 水下泵站電機、ROV 水下主電子艙和科考電子艙供電。同時，低壓柜也為控制柜1、控制柜2、控制集裝箱、維修間及調(diào)試泵站等設(shè)備供電。

圖4 CC 高低壓配電框圖Fig.4 Block diagram of CC HV&LV PDU

CC控制方案如圖5所示，主操作計算機和副操作計算機分別運行水下機器人SCADA 監(jiān)控軟件；PLC作為主控制器通過OPC接口分別與主操作SCADA監(jiān)控軟件和副操作SCADA 監(jiān)控軟件通信，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)在主、副SCADA監(jiān)控軟件上的備份。PLC與維護計算機通信，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問診斷和程序備份及更新。PLC通過Ethernet/IP總線與水下設(shè)備采集串口協(xié)議轉(zhuǎn)換器、操控IO和供電IO通信，實現(xiàn)對水下傳感器和設(shè)備的監(jiān)測與控制，以及對操作指令的采集和供電系統(tǒng)的監(jiān)控。水下采集設(shè)備和傳感器有主電子艙和科考電子艙 IO 單元、TCU 閥箱、HCU 閥箱、燈控箱、慣導(dǎo)、4K相機和云臺。各計算機視頻信號以及水下視頻采集信號輸入視頻處理計算機，由其進行視頻的拼接、分割、任意切換、漫游及開窗等，并由超高清視頻刻錄機和視頻刻錄機分別對超高清視頻和標(biāo)清視頻存儲和回放，由字符疊加器對選定視頻信號進行字符疊加處理。聲吶通過RS232 采集，由光纖通信轉(zhuǎn)換后在水面由聲吶計算機直接處理并顯示。T4機械手通過光纖通信在水面接入機械手操作盒，由其直接操控。其中POD 指主要用于ROV水下供電通信管理的電子艙，TCU指控制推進器的液壓閥箱，HCU指控制工具的液壓閥箱。

圖5 CC 控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of CC control system

科考型CC 系統(tǒng)需要滿足主操作手、副操作手及科學(xué)家的操作要求，圖6 為緊湊型三工位深?？瓶妓聶C器人操作臺布局，其設(shè)置獨立可切換4K顯示屏及4K攝像云臺操作功能，最大限度地滿足了科學(xué)家的科考要求［8］。

圖6 科考型CC 布局Fig.6 Scientific CC layout

2.3 4 000 m輕量化工作級ROV本體

2.3.1 ROV液壓系統(tǒng)

根據(jù)ROV 本體液壓功能所設(shè)計的雙泵獨立電機功率共享的液壓系統(tǒng)如圖7所示，其由1臺深海電機雙軸連接，一端連接主推液壓泵1，一端連接工具液壓泵2和冷卻泵3。主推液壓泵1將主油箱液壓油通過壓力回路泵送至TCU閥箱，通過軟件控制TCU調(diào)壓閥控制主回路壓力，并采用矢量分配控制TCU 驅(qū)動4 臺水平推進器和3 臺垂向推進器，實現(xiàn)前后、上下、左右、縱傾、橫搖和旋轉(zhuǎn)六自由度運動。同時主推液壓泵1為主從控制機械手提供液壓。工具液壓泵2 將工具油箱液壓油通過壓力回路泵送至各HCU閥箱，其中軟件控制HCU1 調(diào)壓閥控制工具回路壓力，并通過控制各HCU內(nèi)置電磁閥來控制外接工具。冷卻泵3 將深海電機殼一端液壓油經(jīng)過散熱管泵送至深海電機另一端，實現(xiàn)機殼內(nèi)的液壓油循環(huán)，達到電機冷卻的效果。另外分別為TCU、HCU、燈控箱及接線箱的箱體提供1組液壓補償器，為推進器軸承外殼提供1組液壓補償器，為深海電機外殼提供1組補償器，實現(xiàn)ROV隨水深變化對各設(shè)備外殼內(nèi)外壓力的平衡。2.3.2 ROV電氣系統(tǒng)

圖7 ROV 本體液壓系統(tǒng)框圖Fig.7 Block diagram of ROV hydraulic system

ROV 電氣系統(tǒng)主要由臍帶纜接線箱、主POD、科考POD 和深海電機、燈控箱、TCU 控制板、HCU1～HCU4控制板及搭載設(shè)備等組成，實現(xiàn)電力分配、連接和控制。如圖8 所示。臍帶纜接線箱接入臍帶纜后，將三相高壓分配至深海電機實現(xiàn)電機驅(qū)動，兩相高壓分配至水下控制變壓器以提供水下交流110 V單相低壓電源，分別為主POD和科考POD供電。其中主POD內(nèi)通過可恢復(fù)保險絲、開關(guān)電源及繼電器實現(xiàn)HCU1～HCU4 控制板、TCU 控制板、燈控箱、攝像云臺系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、機械手、應(yīng)急系統(tǒng)及擴展系統(tǒng)1等的供電；HCU控制板實現(xiàn)對ROV本體上補償器液位傳感器、電機繞組溫度傳感器和水分檢測傳感器的供電和信息采集；燈控箱實現(xiàn)對照明燈組供電和調(diào)光控制，單個燈控箱最多可以獨立控制14 路照明燈；科考POD實現(xiàn)對CTD、旋轉(zhuǎn)取樣器、微生物取樣器、氣密取樣器及擴展系統(tǒng)2等供電。

圖8 ROV 本體電氣系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of ROV electrical system

攝像云臺系統(tǒng)通常由2 個上下布置的云臺、多個定焦、變焦、彩色、黑白、低照度及高清相機組成，每個云臺可以左右分別配1個標(biāo)清定焦或黑白低照度相機以及1個變焦高清或4K相機，實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)和垂直轉(zhuǎn)動，并且各相機配置1路可調(diào)光照明燈，進行拍攝效果調(diào)整。

導(dǎo)航系統(tǒng)通常由光纖慣導(dǎo)、多普勒測量儀DVL和深度計的組合，也可再另配置高度計、深度計及水下羅盤等作為備用導(dǎo)航設(shè)置，實現(xiàn)自動定深、定高和定向控制。

聲吶系統(tǒng)通常由避障聲吶實現(xiàn)飛行避障，可以根據(jù)作業(yè)需要配置多波速、側(cè)掃儀及淺剖儀等實現(xiàn)水底地貌、地形的探測掃描。

應(yīng)急系統(tǒng)通常有定位USBL聲信標(biāo)、水面無線電、GNSS 電信標(biāo)和頻閃光信標(biāo)，可實現(xiàn)水下ROV 的定位和搜救，搜尋信號一般可保持7天。

2.3.3 ROV水下質(zhì)量分析及布局

ROV 本體由浮力材料、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（包括框架吊點及保護套等）、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、搭載設(shè)備組成。本文研究通過分別統(tǒng)計分析各組成部分的空氣中質(zhì)量、水中質(zhì)量、重心及布局坐標(biāo)，來獲取ROV 本體的空氣中質(zhì)量、水中質(zhì)量、重心和浮心，從而分析ROV的穩(wěn)定性；并根據(jù)ROV 本體質(zhì)量、載荷能力、搭載能力、功能要求及運動性能等約束條件來對各組成部件的布局和質(zhì)量提出要求，再對整體布局和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。表3是根據(jù)科考ROV 搭載要求展開的重力分析，ROV 本體空氣中質(zhì)量達到4 563 kg，海水中質(zhì)量為-3 kg，采用277 kg鉛塊配平，鉛塊數(shù)量28塊，即在除去機械手、慣導(dǎo)及標(biāo)配系統(tǒng)后還具備水下250 kg以上的搭載能力。

表3 ROV 質(zhì)量分析Tab. 3 ROV weight analysis

作業(yè)級科考ROV布局，如圖9所示［9］，其中攝像云臺、導(dǎo)航系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)等的布局根據(jù)功能要求進行，推進器的布局根據(jù)流體設(shè)計進行，其他液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)部件的布局根據(jù)重心和可維護性進行。如在ROV頂部布置相機和照明燈用于觀察臍帶纜狀態(tài)；在ROV前方頂部布置1組強光燈以照亮正前方攝像視野；在頂部布局頻閃信標(biāo)、無線信標(biāo)及USBL信標(biāo)便于搜尋；在底部布置集成DVL慣導(dǎo)和高度計用于對地速度和高度的測量。

圖9 作業(yè)級科考ROV 布局Fig.9 Layout of scientific work-class ROV

2.4 組合多功能科考作業(yè)工具系統(tǒng)

深?？瓶夹蚏OV 作業(yè)工具是高效展開深海樣品采集和試驗的有力保障。根據(jù)深?？瓶甲鳂I(yè)要求可以設(shè)計不同的作業(yè)工具。本ROV 系統(tǒng)采用科考作業(yè)底盤，用于常規(guī)作業(yè)工具和擴展作業(yè)工具搭載。如圖10所示，作業(yè)底盤采用AL6082-T6鋁合金型材框架，鏤空輕量化設(shè)計，左右各配置七功能主從控制液壓機械手，集成12 位旋轉(zhuǎn)取樣器、生物取樣箱、表層沉積物取樣器、宏生物取樣器，搭載沉積物取樣器、氣密流體取樣器和微生物取樣器等。另外科考作業(yè)還需配置采水瓶取樣器和CTD系統(tǒng)。ROV操作員可以根據(jù)科考作業(yè)要求，控制機械手和采樣試驗工具，在深海完成既定的科考任務(wù)。

圖10 作業(yè)底盤Fig.10 Tool SKID

3 工程研制及應(yīng)用驗證

基于以上設(shè)計方案，上海中車艾森迪海洋裝備有限公司展開了深?？瓶夹蚏OV成套系統(tǒng)的研制，分別完成A 架、絞車、HPU、CC 及ROV 本體及作業(yè)底盤工程化產(chǎn)品，打造了“開拓者”號后浪01 型工作級ROV，如圖11所示。該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用了上百家供應(yīng)商的產(chǎn)品，分別展開了單體部件級測試、子系統(tǒng)級測試和整機測試，主要測試項點如表4所示，測試內(nèi)容為成套系統(tǒng)功能驗證和載荷測試，以滿足海試條件［10］。其中燈控箱和閥箱PCB 等的耐壓為65 MPa，即可滿足6 000 m水深應(yīng)用；絞車和A 架的動載和 靜載取DNVGL、Lloyds 和IMCA 相關(guān)規(guī)范中的最大值［11-13］。如表5 所示，該系統(tǒng)在碼頭完成了成套系統(tǒng)的安裝和調(diào)試；在南海某區(qū)域展開了深海系統(tǒng)性能和功能驗證，并成功下潛至海底深度3 789 m，完成了各項海試內(nèi)容，滿足4 000 m級深?？瓶家?。

表4 ROV 系統(tǒng)測試主要驗證項點Tab. 4 Main test items of ROV

表5 ROV 系統(tǒng)主要碼頭及海試項點Tab. 5 Main items of sea trial for ROV

圖11 “開拓者”號后浪01 型ROV 本體Fig. 11 The Pioneer HOULANG01 ROV

在海試后，緊接著在海馬冷泉執(zhí)行深海生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)考察任務(wù)，在9天內(nèi)完成8個潛次，累計水下作業(yè)時間超43 h，展開了生物、表層泥土、深沉泥土及水取樣，水環(huán)境溫鹽深和甲烷測量，以及海底培養(yǎng)和遷移試驗，取得了大量的生物和沉積物樣品、定點海水、高清影像及調(diào)查數(shù)據(jù)等，如圖12～圖15所示，充分證明了該深?？瓶夹蚏OV的可用性。

圖12 “開拓者”號坐底3 789 m Fig. 12 The Pioneer on 3 789 m seabed

圖13 “開拓者”號海底貽貝培養(yǎng)Fig. 13 Culture mussel on seabed by the Pioneer

圖14 ROV 表層沉積物和宏生物取樣Fig. 14 ROV surficial sediment and macroorganism sampling

圖15 ROV 海底生物誘捕及培養(yǎng)Fig. 15 Submarine biological trapping and culture with ROV

4 結(jié)束語

本文總體展示深?？瓶贾匦蚏OV 成套系統(tǒng)中的收放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、ROV 本體及作業(yè)系統(tǒng)在科考方面的關(guān)鍵研制內(nèi)容和方案。在該研制過程中，通過自主可控供應(yīng)鏈開發(fā)，避免關(guān)鍵技術(shù)受制于人，完成了系統(tǒng)工程化開發(fā)，并通過出廠測試、海試及科考作業(yè)檢驗了系統(tǒng)功能和性能，驗證了該4 000 m 深?？瓶贾匦蚏OV 系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件的可靠性；同時，拉通了國內(nèi)深海裝備產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了關(guān)鍵部件的自主可控及工程化應(yīng)用。本深海重型ROV成套系統(tǒng)是立足工程化應(yīng)用開發(fā)的，不僅可以應(yīng)用在深?？瓶挤矫?，還可以廣泛應(yīng)用在油氣、打撈及電力敷設(shè)等方面，其閥控單元、燈控箱及框架本體等關(guān)鍵技術(shù)可被更深（至6 000 m）、更大功率及挖溝敷纜采礦等作業(yè)機器人應(yīng)用，將為我國高效、安全、可靠地探索海洋、開發(fā)海洋提供有力的裝備支撐。為了后續(xù)提升ROV 系統(tǒng)效能、減小水下噪聲和提高其對水下生物環(huán)境的友好性，可以進一步對高效、重型電驅(qū)型ROV系統(tǒng)展開研究。