■ 文/天津深之藍(lán)海洋設(shè)備科技有限公司 馬賀

關(guān)鍵字：水下機(jī)器人 聲吶 金屬探測儀 機(jī)械手

1 引言

水下機(jī)器人是水下無人潛水器的總稱，主要分為纜控水下機(jī)器人（ROV）和自治水下機(jī)器人（AUV）兩類。其中由于ROV占據(jù)水下無人潛水器的絕大多數(shù)，所以通常情況下水下機(jī)器人也泛指有纜水下機(jī)器人，即ROV。ROV因具有實(shí)時響應(yīng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、減少潛水員下水危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，顯現(xiàn)出一定的水下工作潛力。隨著產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量的不斷提升，目前ROV已經(jīng)廣泛用于海洋石油、水下檢測和搜救打撈等方面。水下機(jī)器人通過搭載相應(yīng)的傳感器，也可以在警務(wù)工作中起到至關(guān)重要的作用。

2 設(shè)備和傳感器

纜控水下機(jī)器人可以實(shí)時顯示水下傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)果，操作員也可以根據(jù)水下情況實(shí)時控制，是水下的主要探測工具。傳統(tǒng)纜控機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)配置水下攝像頭作為主要探測手段，但是根據(jù)使用環(huán)境和任務(wù)的不同可以選擇擴(kuò)展聲吶、定位、機(jī)械手或?qū)Ｓ霉ぞ叩?；聲吶可以大范圍的掃描水下目?biāo)，不受水質(zhì)影響；定位系統(tǒng)可以定位水下機(jī)器人的水下位置坐標(biāo)；機(jī)械手和專用工具可以根據(jù)任務(wù)情況在水下進(jìn)行特定的操作。

2.1 纜控水下機(jī)器人

纜控水下機(jī)器人主要分為水下本體、臍帶纜及絞車和甲板控制單元三部分。臍帶纜連接甲板單元和水下主體，甲板單元為水下本體提供動力并發(fā)出命令，水下本體的傳感器數(shù)據(jù)也實(shí)時回傳并顯示在甲板單元上。水下本體、臍帶纜和甲板單元的體積大小都隨著需求可以改變。

圖1 線纜水下機(jī)器人組成

由于存在使用區(qū)域不固定、作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等情況，警用水下機(jī)器人一般可以選擇體積重量相對較小的設(shè)備，便于安放、運(yùn)輸和布放回收，可以快速響應(yīng)突發(fā)情況。同時要具備充足的動力性能和擴(kuò)展能力，可以根據(jù)不同的任務(wù)情況攜帶不同的對應(yīng)工具或傳感器，也可以根據(jù)現(xiàn)場情況選擇輔助潛水員的設(shè)備。

圖2 水下機(jī)器人本體

推進(jìn)器配置方面，水下機(jī)器人應(yīng)盡量配置大推力的推進(jìn)器。水平推進(jìn)器盡量選擇4個推進(jìn)器矢量分布的水下機(jī)器人，可使ROV具備更好的水下適應(yīng)性。

同時，警用水下機(jī)器人應(yīng)根據(jù)情況至少配備一個高清彩色攝像頭用于水下觀察，同時應(yīng)配備多個照明燈便于輔助照明。出色的攝像照明系統(tǒng)硬件可以保證機(jī)器人在水下成像的優(yōu)異表現(xiàn)。

圖3 四川大渡河機(jī)器人搜索調(diào)查墜入水中車輛

2.2 側(cè)掃聲吶或AUV

側(cè)掃聲吶又稱為旁掃聲吶，通過兩側(cè)的換能器各向海底發(fā)射一條波束，通過接收回波信號的強(qiáng)度呈現(xiàn)海底的二維圖像。由于ROV有纜線連接，所以通常作為定點(diǎn)或者小范圍的搜索工具。側(cè)掃聲吶通常用于大范圍搜索水下體積較大或者聲學(xué)特征較為明顯的疑似目標(biāo)物。

圖4 側(cè)掃聲吶圖像

側(cè)掃聲吶可以選擇拖魚搭載，采用母船拖拽形式工作，也可以通過集成在AUV上進(jìn)行自主測量。

2.3 掃描聲吶

圖5 側(cè)掃聲吶

掃描聲吶是通過換能器發(fā)射一條垂直扇形波束，然后通過機(jī)械轉(zhuǎn)動掃描扇形或圓形區(qū)域成像。掃描聲吶通常安裝在ROV上，它相當(dāng)于飛機(jī)上的雷達(dá)，用于ROV遠(yuǎn)距離搜索的補(bǔ)充。但機(jī)械掃描聲吶對搭載平臺穩(wěn)定性要求較高，所以通常需要ROV坐底穩(wěn)定后，進(jìn)行掃描，完成整幅圖像掃描后才能繼續(xù)ROV操作。

圖6 橙鯊AUV

2.4 多波束圖像聲吶

多波束圖像聲吶是在一定角度范圍內(nèi)有很多波束同時工作，能夠在固定角度內(nèi)實(shí)時高分辨率成像。通常多用于ROV的實(shí)時導(dǎo)航和避障，以及在渾濁水域的目標(biāo)探測、識別和區(qū)域內(nèi)的檢查。相比于掃描聲吶，多波束圖像聲吶實(shí)時性更好，可以隨時觀測水下情況。

圖7 掃描聲吶圖像

由于工作方式和成像結(jié)果的不同，單波束掃描聲吶通常用于定點(diǎn)范圍目標(biāo)搜索，而多波束圖像聲吶更適合實(shí)時觀測。如圖8所示，在攝像頭的視野范圍內(nèi)僅能看到最近處的梯子，但是卻無法看到更遠(yuǎn)處的目標(biāo)物。這時多波束圖像聲吶就可實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)充，發(fā)現(xiàn)ROV前方更多的疑似目標(biāo)物信息。

圖8 多波束圖像聲吶圖

2.5 金屬探測儀

金屬探測儀通過ROV搭載的線圈向水底發(fā)射高性能磁力脈沖，感應(yīng)海底的黑色（磁性金屬，包括鐵鎳等）和有色金屬（非磁性金屬，包括金銀等），可用于尋找金屬武器、爆炸物和一些有色金屬寶藏，適合警方用于水下物證或贓物的搜尋。

圖9 ROV搭載金屬探測儀

2.6 水下定位系統(tǒng)

由于GPS信號在水下不能傳輸，水下機(jī)器人一般選用超短基線水下定位系統(tǒng)確定水下潛器的相對位置和運(yùn)動軌跡。超短基線也叫做USBL，分為收發(fā)機(jī)陣和應(yīng)答器兩部分，應(yīng)答器安裝在ROV上，收發(fā)機(jī)陣從岸上或船上放入水下。收發(fā)機(jī)陣發(fā)射信號到應(yīng)答器，并接收應(yīng)答器的回饋信號，利用各個陣元之間的相位差（或者時延差）來測量目標(biāo)的方位，從而計(jì)算出ROV在水下相對收發(fā)機(jī)陣的位置。再結(jié)合ROV內(nèi)置的羅經(jīng)和水面上的GPS等系統(tǒng)，即可獲得ROV的絕對坐標(biāo)位置。

圖10 水聲定位系統(tǒng)工作示意圖

2.7 機(jī)械手等輔助工具

為了方便水下樣品采集，可以根據(jù)情況為ROV選擇搭載機(jī)械手或者其他輔助工具，用于水下的抓取、剪切和取樣等工作。對于較大的工具（比如五功能機(jī)械手），可以通過快拆框架安裝的方式安裝在ROV底部。

圖11 ROV搭載二功能機(jī)械手

圖12 五功能機(jī)械手快拆支架

3 水下工作流程

水下機(jī)器人在公安部門的主要作用就是代替潛水員執(zhí)行水下危險(xiǎn)任務(wù)，具體可以分為二方面：一方面是水下的物證搜索。由于水下環(huán)境復(fù)雜，搜索難度大，對于犯罪分子而言，將作案工具或贓物丟入水中是阻撓公安人員調(diào)查取證最簡單有效的辦法之一，因此如何在復(fù)雜水域環(huán)境中搜尋并打撈物證是公安部門亟待解決的問題。另一方面是水下安保。隨著中國國際地位的不斷提升，國內(nèi)舉行大規(guī)模賽事和會議也日漸增多，相比于已經(jīng)完善的陸地安保方案，水下安保還有很多需要改善的空間，例如水下環(huán)境的調(diào)查、危險(xiǎn)物品的查找和處置等。無論是水下物證搜索還是水下安保，都可歸結(jié)為水下環(huán)境調(diào)查和水下目標(biāo)物搜索。針對這些應(yīng)用需求，水下機(jī)器人的大致工作流程包括四部分。

3.1 充分了解工作環(huán)境和目標(biāo)物情況

執(zhí)行搜索過程前需要充分了解需要搜索的水下環(huán)境情況，比如：搜索區(qū)域的大小、水深、流速、水下能見度、水下環(huán)境是否復(fù)雜等；同時也要對目標(biāo)物的大小、形狀、材質(zhì)等情況進(jìn)行充分分析。搜索區(qū)域大小、水深和流速等環(huán)境因素決定了選用ROV和前期搜索傳感器的類型；水下環(huán)境狀況決定了搜索方案的定制；水下能見度、目標(biāo)物信息等決定了ROV的載荷傳感器和工具。

3.2 確認(rèn)或縮小調(diào)查區(qū)域

如果搜索區(qū)域較大，可以選擇側(cè)掃聲吶或者磁力儀進(jìn)行前期的大范圍搜索。側(cè)掃聲吶可以掃描體積較大或聲學(xué)特征明顯的目標(biāo)物；磁力儀對金屬目標(biāo)物有較好的探測效果。當(dāng)側(cè)掃聲吶或磁力儀發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)物后，可以對疑似區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，然后通過ROV下水確認(rèn)。

3.3 ROV選擇適合的設(shè)備和傳感器

確認(rèn)可疑點(diǎn)后再通過水下機(jī)器人搭載響應(yīng)設(shè)備下水搜索，例如搜索金屬類作案工具，ROV首選搭載金屬探測儀；同時根據(jù)水質(zhì)情況，搭載多波束圖像聲吶用于導(dǎo)航和搜索。

ROV下水后在疑似目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行往復(fù)式搜索，確保聲吶、攝像頭或金屬探測儀可以覆蓋到全部的探測區(qū)域。當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似目標(biāo)后，再通過抵近觀察確認(rèn)。

圖13 ROV搜索路徑圖

3.4 確認(rèn)打撈

當(dāng)ROV發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)目標(biāo)物后，如果ROV已經(jīng)加裝機(jī)械手，可以直接打撈。如果沒有加裝，則可以通過超短基線或者垂直向上浮出水面確認(rèn)目標(biāo)物位置。ROV返航更換或加裝機(jī)械手后返回目標(biāo)位置進(jìn)行打撈作業(yè)。

圖14 機(jī)械手模擬打撈水下目標(biāo)物

4 結(jié)語

小型水下機(jī)器人搭載合理的傳感器和工具可以滿足警務(wù)實(shí)戰(zhàn)機(jī)動性強(qiáng)、設(shè)備使用方便等需求，進(jìn)一步提高工作效率，為公安工作提供有效的技術(shù)支撐。