ROV in the marine surveying and mapping of the Applied Research

Abstract: According to the composition and structure of the ROV features combined with fresh water environment and the actual operation of the marine environment by the data, analyze the advantages and disadvantages of ROV. Current briefed on the environment and water ROV operations. Focus on the underwater imaging methods and the selection of underwater target detection and recognition technology development. ROV in the future in the measurement of the sea can play the role of the prospects.

Key words: Remote Operated Veh

icle； Imaging Method；Ocean Current；

Water Environment；

一、前言

海洋資源的開發(fā)與利用涉及到很多方面，其中測繪領(lǐng)域的應(yīng)用將為國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供寶貴的探測參考資料。發(fā)達(dá)國家在水下機(jī)器人探測技術(shù)領(lǐng)域有很深入的研究，目前，美國、英國、法國、德國、挪威、日本等國家在這方面取得了很大成績，我國尚處于起步階段，與上述發(fā)達(dá)國家相比還存在不小差距。水下機(jī)器人的種類很多、用途很廣，目前有AUV(Autonomous Underwater Vehicles)、UUV(Unmanned Underwater Vehicles)、ROV(remote operated vehicle)等種類的水下機(jī)器人。根據(jù)體形大小、性能的不同在軍事、漁業(yè)、海洋科學(xué)考察、深海探測等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。ROV（水下機(jī)器人）是當(dāng)今世界上較為先進(jìn)的水下無人遙控探測器，其特點是無人駕駛，所有的操作都是通過數(shù)據(jù)傳輸光纜與水面操作人員實現(xiàn)的。ROV上配備了光學(xué)相機(jī)和雙頻識別聲納能夠以兩種方式探測水下目標(biāo)物。同時ROV作為一個載體可以對其靈活改進(jìn)以適應(yīng)各種不同作業(yè)要求。以往在海洋測繪中對用聲納、磁力儀以及多波束測量出來的水下不明物或淺點的分析時多采用潛水員下潛探摸的方式，ROV實現(xiàn)了代替潛水員下潛作業(yè)的模式。本文簡要介紹ROV的軟硬件組成、硬件的性能、軟件的操作。著重結(jié)合千島湖實驗和天津港大沽燈塔塔基查看的實際資料，闡述ROV的應(yīng)用。

二、ROV結(jié)構(gòu)組成及軟硬件性能

ROV作為一個水下探測器其本身不能對任何水下物體進(jìn)行測量。簡而言之，它就是一個潛水器。其標(biāo)準(zhǔn)配置構(gòu)成包括：黑白導(dǎo)航相機(jī)、彩色攝像、照相相機(jī)、鹵素?zé)簟⒋帕_經(jīng)、推進(jìn)器和電子倉等。ROV上面要搭載其它設(shè)備要根據(jù)不同用戶的需要配置，天津海測大隊所引進(jìn)的ROV包括如下設(shè)備：

這里將一套完整的ROV分為以下幾個單獨系統(tǒng)：

（1）潛水、動力系統(tǒng)

包括四個動力435W的推進(jìn)器，兩只75W的鹵素照明燈，一個磁羅經(jīng)。配置了HLK43000a型機(jī)械臂。核心部分是電子倉，所有的外部指令及自身的工作都要經(jīng)過該集成電路的處理。

（2）操作、控制系統(tǒng)

包括卷軸電纜、操縱桿、電源箱，核心部分是甲板單元上面有主機(jī)、光盤刻錄機(jī)和顯示器。是操縱人員監(jiān)視ROV的運行參數(shù)和向潛水器發(fā)送指令的重要系統(tǒng)。甲板單元上操作人員可以得到ROV的深度信息（距離水面），自身的磁北方向。ROV的工作電壓（DC 380V—410V）、工作電流（AC 0A－8A）以及ROV的濕度顯示和溫度顯示，這些都是ROV運行中的重要性能參數(shù)。

（3）成像系統(tǒng)

在潛水器系統(tǒng)中我們搭載了兩種水下觀察設(shè)備，包括黑白導(dǎo)航相機(jī)、彩色照相、攝像機(jī)在內(nèi)的光學(xué)成像設(shè)備和淺水雙頻識別聲納（DIDSON）在內(nèi)的聲學(xué)成像設(shè)備。

（4）定位跟蹤系統(tǒng)

TrackLink1500MA（超短基線定位跟蹤系統(tǒng)）是這套ROV的又一大特點，海底作業(yè)對ROV的整體安全產(chǎn)生影響的最重要因素就是海流。考慮到海下作業(yè)ROV的安全，配備的這套系統(tǒng)能夠跟蹤多達(dá)9個目標(biāo)應(yīng)答器。其原理就是將船的絕對位置坐標(biāo)和船首向方位傳遞給TrackLink Navigator軟件，采用極坐標(biāo)計算方法進(jìn)行基線解算，求得被跟蹤目標(biāo)的絕對坐標(biāo)位置。該系統(tǒng)的方位定位精度優(yōu)于1°，整體定位精度優(yōu)于2.5m。

（5）導(dǎo)航和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

主要是由Qinsy軟件實現(xiàn)的。該軟件是一個功能強大的綜合性軟件，是多波束數(shù)據(jù)采集軟件6042的升級版。主要實現(xiàn)潛水器導(dǎo)航定位，同時可接入測深儀實時顯示ROV沿航跡方向上的水深情況。

三、淡水、海水實驗情況及分析

2008年5月26日至6月10日，在浙江杭州建德市新安江水電站（千島湖）淡水湖中進(jìn)行了系統(tǒng)全面測試。主要包括：設(shè)備安裝、聯(lián)機(jī)測試、ROV設(shè)備各項性能指標(biāo)測試、操控軟件、超短基線定位軟件、雙頻識別聲納軟件、 Qinsy導(dǎo)航軟件測試以及機(jī)械手功能測試等。

在整個實驗期間對系統(tǒng)工作穩(wěn)定性及各項功能進(jìn)行了測試分析，見下表：

2008年8月16日至9月6日，對天津港大沽燈塔塔基及水下地形應(yīng)用ROV系統(tǒng)全方位探測。在海水中檢驗測試ROV系統(tǒng)作業(yè)效果及系統(tǒng)穩(wěn)定性。

經(jīng)探測及測試，ROV系統(tǒng)在大沽燈塔水域作業(yè)效果及系統(tǒng)性能分析見下表：

根據(jù)上述千島湖測試及大沽燈塔探測分析圖表得出以下結(jié)論：

（1）海流對ROV定向、定深以及動力控制都有很大影響。千島湖水質(zhì)良好，是“天然游泳池”。湖區(qū)內(nèi)幾乎不受風(fēng)浪的影響，因此ROV在水中運動不受外界阻力影響。海水的漲落潮加之海風(fēng)和地形的綜合影響使得ROV在海上的操作自由度受很大影響。

（2）水體環(huán)境對ROV成像清晰度有很大影響，渤海海域以至于整個北方海區(qū)的水體透明度都很難于千島湖水體相提并論。在相同水深處不同水體環(huán)境下能見度情況比對見下表：

由上表可見，在海水環(huán)境中光學(xué)成像效果是比較差的，因此當(dāng)今世界水下機(jī)器人重點利用的還是聲學(xué)成像方式，各國都很重視ROV在海水下面成像視程這一課題。

ROV是當(dāng)今世界海洋探測和科學(xué)考察領(lǐng)域較為先進(jìn)的技術(shù)手段，它的問世標(biāo)志著人類可以向更加廣闊的海洋深水領(lǐng)域進(jìn)軍。ROV的優(yōu)勢在于輕便、微型化、便于操作，重量是大型水下機(jī)器人的1/10或1/20。更重要的是它的出現(xiàn)代替了潛水員的部分工作，海上工作更加安全。但ROV上處于發(fā)展的初級階段，到如今ROV的發(fā)展才經(jīng)歷了30年左右的時間。ROV自身還存在很多技術(shù)上的難題，其中水下目標(biāo)的識別于探測技術(shù)就是有待人類解決的一大課題。隨著科技的不斷進(jìn)步，新技術(shù)新理論必將應(yīng)用到海洋科學(xué)研究中來，造福人類。

四、ROV水下目標(biāo)的探測與識別技術(shù)展望

水下目標(biāo)的探測與識別對于ROV水下作業(yè)來說是至關(guān)重要。水下機(jī)器人要完成所賦予的使命,就必須獲取各種環(huán)境信息,特別是水下目標(biāo)的信息,操作人員依據(jù)此做出作業(yè)決策。根據(jù)水下的環(huán)境特點,常用的水下探測設(shè)備是聲成像和光成像傳感器。其中,聲成像傳感器占有主要地位,也是國內(nèi)外研究的重點。目前,應(yīng)用在智能水下機(jī)器人上的聲成像傳感器主要有高低頻合成孔徑聲吶（雙頻識別聲納）、側(cè)掃聲吶、前視聲吶和三維聲成像聲吶。光在海水中的衰減比在空氣中快得多。光在水中傳輸?shù)哪芰堪粗笖?shù)規(guī)律迅速衰減,使得光學(xué)圖像對比度產(chǎn)生嚴(yán)重的灰白效應(yīng),色彩失真,視程大大縮小。為了彌補微光成像系統(tǒng)的不足,各國十分重視水下激光成像技術(shù)的研究。理論推測激光成像距離可以達(dá)到12個衰減長度。國外在智能水下機(jī)器人上采用了激光線性掃描系統(tǒng),作用距離相對較大,因而特別有價值,國內(nèi)也積極開展這方面的研究,取得一定的研究成果。

綜上所述,由于海洋環(huán)境復(fù)雜,獲取水下目標(biāo)信息的手段十分有限。聲探測距離遠(yuǎn),所以仍是目前的主要手段。而對于依靠聲圖像的目標(biāo)識別仍然有難度。根據(jù)水聲專家的預(yù)測,依靠聲反射特性可能是解決識別的正確途徑。另外,激光成像具有微光成像的特點,距離又增加,是一種比較理想的手段,然而要滿足對水下目標(biāo)識別的要求,仍然有不少技術(shù)難關(guān)需攻克。

五、ROV在未來海洋測繪中的應(yīng)用展望

隨著科技的不斷進(jìn)步，ROV在自身的硬件上會有不斷的革新，我們有理由期待改進(jìn)后的ROV能夠更加適用于海洋測繪。理由如下：

1、目前的ROV我們只能得到其到海平面間的距離，可以在ROV上安裝單波束測深儀，能夠?qū)崟r得到ROV相對于海底的距離，同時可以反映一部分海底地貌起伏變化的特征。

2、在ROV上安裝多波束測深系統(tǒng)，并且將后處理的海底三維立體圖導(dǎo)入ROV導(dǎo)航軟件中做為ROV操舵手的背景底圖，能夠時時得到ROV的空間位置信息，那將是革命性的創(chuàng)新。要想實現(xiàn)這一點，首先要解決多波束后處理出的圖形矢量合成的問題。

3、定位導(dǎo)航技術(shù)有待技術(shù)革新。目前我們采用的導(dǎo)航技術(shù)主要是依靠超短基線，此外還有長基線、短基線定位方式。這些定位方式方式都只局限于一定范圍內(nèi)精確導(dǎo)航。國外目前多數(shù)采用小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對水下機(jī)器人實現(xiàn)精確定位。然而這項技術(shù)國內(nèi)還沒有辦法實現(xiàn)，國外對我國還實行禁運政策，因此需要廣大科技工作者不斷努力突破技術(shù)上的堡壘。

六、結(jié)語

我國有著綿延18000余公里的海岸線，是海洋資源豐富的大國。加強海洋科學(xué)投入，必將是一項有戰(zhàn)略意義的工程，需要投入大量的人力物力。需要政府牽頭，學(xué)校提供理論支持，企業(yè)承擔(dān)實踐平臺，發(fā)揮社會主義制度的優(yōu)越性。某些先進(jìn)的機(jī)器人先進(jìn)在其中核心的一到兩項技術(shù)，，因此攻克關(guān)鍵技術(shù)上造成的瓶頸是科技工作者共同面對的。在發(fā)展新技術(shù)的同時要注意防止底端技術(shù)的重復(fù)，避免人力、物力、財力的浪費。

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