4 000 m 深?？瓶贾匦蚏OV 成套系統設計及應用

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）是深海生態科學考察的利器，其能搭載機械手、鹽溫深測量系統（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?？瓶既蝿?，是當今綜合科考船必配裝備［1-2］。然而，目前國內外的ROV主要集中在油氣工程施工應用，缺乏科考作業的適應性設計［3-4］。雖然國內的ROV技術經過科研人員的不斷研究，有了較大的進步，實現了深度的突破，但在應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鏈，圍繞深?？瓶甲鳂I要求，通過自排纜雙冗余驅動收放系統設計、符合科學家操作習慣的便捷分布式緊湊型水面供電控制系統設計、作業級4 000 m 輕量化水下機器人本體設計及組合多功能可拆卸的作業底盤系統設計，解決了深?？瓶甲鳂I機器人成套系統的部件受限問題，并成功研制了工程產品。本文介紹了該系統組成、基本功能和工作原理，以及ROV水面布放回收系統、水面供電及控制系統、機器人本體結構、通信系統、供電系統、液壓系統及作業系統的設計方案，并對其進行工廠測試、4 000 m級海試和實際科考任務，充分驗證了該系統的可靠性及功能完整性。

1 4 000 m重型科考ROV成套系統

1.1 系統組成

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等要求，如圖1 所示，其主要由水面布放回收系統（LARS）、水面供電控制系統（CC）、ROV本體、ROV作業系統、維修間組成。其中LARS 通常由臍帶纜絞車、A 架、驅動液壓泵站（HPU）和LARS操控臺（CS）組成。

圖1 ROV 成套系統組成Fig.1 Composition for complete ROV system

各子系統部件作用如表1所示。

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

1.2 技術參數

ROV成套系統主要技術參數如表2所示。該ROV系統的組成及布局設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險；通過150 hp@50 Hz適用性設計可提高水下抗流能力和穩定性，真正發揮ROV作業動能；采用具有止蕩功能的雙電機驅動LARS 系統，收放纜速度達60 m/min，滿足4 級作業、5級回收的設計，保障了作業的安全性和高效性。

表2 ROV 系統主要技術參數Tab. 2 Main technical parameters of the ROV system

2 關鍵子系統設計

2.1 自排纜雙電機驅動LARS系統

LARS 系統框圖如圖2 所示。HPU 將690 V/50 Hz船電進行內部分配，由2路斷路器、軟啟動器和電機組成液壓泵1 和液壓泵2 的驅動回路，產生液壓流體動能，每路回路設計輸出功率110 kW，兩路驅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 系統框圖Fig.2 Block diagram of LARS

CS 通過HPU 配電獲取控制電源，為柜內單元供電，并對絞車和A 架電控箱供電。CS 的PLC 控制單元通過以太網總線實現對HPU、絞車和A架信息的采集和遠程監控，根據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，發出絞車和A 架液壓執行機構的驅動指令，并分別通過絞車電控箱的驅動比例閥控制卷筒馬達組的正反轉，由齒輪傳動實現卷筒正反轉，從而實現卷筒對臍帶纜的存儲和收放；通過驅動電磁閥控制排纜器馬達正反轉，由螺桿傳動實現排纜器左右移動；通過驅動比例閥控制左右主臂及其伸展臂的4路油缸，實現A架的伸縮和內外擺動；通過驅動電磁閥控制止蕩器縱向阻尼油缸的伸縮，實現止蕩器縱向阻尼；通過驅動電磁閥控制閂鎖油缸的強制內縮，實現閂鎖的開啟；通過驅動電磁閥控制止蕩器旋轉機構馬達實現正反姿態調整。另外絞車靜態接線箱接入ROV 甲板臍帶纜，通過滑環將ROV 動力源和光電信號接入旋轉接線箱，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壓回路，分別回到液壓泵1和液壓泵2，實現多支路壓力和流量的獨立調節。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，通過集裝箱轉鎖快速與甲板預留鎖扣對接；絞車和A 架焊接在底座上；底座通過集裝箱轉鎖快速與甲板預留鎖扣對接，并與關鍵點副板焊接，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

CC系統主要實現供電和水下監控兩大功能，其根據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英寸標準集裝箱內。CC供電設計方案如圖4 所示，低壓柜將船電380 V/50 Hz接入，經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、維修間及調試泵站等設備供電。

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 監控軟件；PLC作為主控制器通過OPC接口分別與主操作SCADA監控軟件和副操作SCADA 監控軟件通信，并實現數據在主、副SCADA監控軟件上的備份。PLC與維護計算機通信，可以實現數據訪問診斷和程序備份及更新。PLC通過Ethernet/IP總線與水下設備采集串口協議轉換器、操控IO和供電IO通信，實現對水下傳感器和設備的監測與控制，以及對操作指令的采集和供電系統的監控。水下采集設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、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 控制系統框圖Fig.5 Block diagram of CC control system

科考型CC 系統需要滿足主操作手、副操作手及科學家的操作要求，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

根據ROV 本體液壓功能所設計的雙泵獨立電機功率共享的液壓系統如圖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調壓閥控制主回路壓力，并采用矢量分配控制TCU 驅動4 臺水平推進器和3 臺垂向推進器，實現前后、上下、左右、縱傾、橫搖和旋轉六自由度運動。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 調壓閥控制工具回路壓力，并通過控制各HCU內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過散熱管泵送至深海電機另一端，實現機殼內的液壓油循環，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ROV隨水深變化對各設備外殼內外壓力的平衡。2.3.2 ROV電氣系統

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

ROV 電氣系統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控制板及搭載設備等組成，實現電力分配、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電機驅動，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內通過可恢復保險絲、開關電源及繼電器實現HCU1～HCU4 控制板、TCU 控制板、燈控箱、攝像云臺系統、導航系統、聲吶系統、機械手、應急系統及擴展系統1等的供電；HCU控制板實現對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；燈控箱實現對照明燈組供電和調光控制，單個燈控箱最多可以獨立控制14 路照明燈；科考POD實現對CTD、旋轉取樣器、微生物取樣器、氣密取樣器及擴展系統2等供電。

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

攝像云臺系統通常由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，實現水平旋轉和垂直轉動，并且各相機配置1路可調光照明燈，進行拍攝效果調整。

導航系統通常由光纖慣導、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航設置，實現自動定深、定高和定向控制。

聲吶系統通常由避障聲吶實現飛行避障，可以根據作業需要配置多波速、側掃儀及淺剖儀等實現水底地貌、地形的探測掃描。

應急系統通常有定位USBL聲信標、水面無線電、GNSS 電信標和頻閃光信標，可實現水下ROV 的定位和搜救，搜尋信號一般可保持7天。

2.3.3 ROV水下質量分析及布局

ROV 本體由浮力材料、結構系統（包括框架吊點及保護套等）、液壓系統、電氣系統、搭載設備組成。本文研究通過分別統計分析各組成部分的空氣中質量、水中質量、重心及布局坐標，來獲取ROV 本體的空氣中質量、水中質量、重心和浮心，從而分析ROV的穩定性；并根據ROV 本體質量、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量提出要求，再對整體布局和結構進行優化。表3是根據科考ROV 搭載要求展開的重力分析，ROV 本體空氣中質量達到4 563 kg，海水中質量為-3 kg，采用277 kg鉛塊配平，鉛塊數量28塊，即在除去機械手、慣導及標配系統后還具備水下250 kg以上的搭載能力。

表3 ROV 質量分析Tab. 3 ROV weight analysis

作業級科考ROV布局，如圖9所示［9］，其中攝像云臺、導航系統、聲吶系統、應急系統等的布局根據功能要求進行，推進器的布局根據流體設計進行，其他液壓系統和電氣系統部件的布局根據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；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、無線信標及USBL信標便于搜尋；在底部布置集成DVL慣導和高度計用于對地速度和高度的測量。

圖9 作業級科考ROV 布局Fig.9 Layout of scientific work-class ROV

2.4 組合多功能科考作業工具系統

深?？瓶夹蚏OV 作業工具是高效展開深海樣品采集和試驗的有力保障。根據深?？瓶甲鳂I要求可以設計不同的作業工具。本ROV 系統采用科考作業底盤，用于常規作業工具和擴展作業工具搭載。如圖10所示，作業底盤采用AL6082-T6鋁合金型材框架，鏤空輕量化設計，左右各配置七功能主從控制液壓機械手，集成12 位旋轉取樣器、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。另外科考作業還需配置采水瓶取樣器和CTD系統。ROV操作員可以根據科考作業要求，控制機械手和采樣試驗工具，在深海完成既定的科考任務。

圖10 作業底盤Fig.10 Tool SKID

3 工程研制及應用驗證

基于以上設計方案，上海中車艾森迪海洋裝備有限公司展開了深?？瓶夹蚏OV成套系統的研制，分別完成A 架、絞車、HPU、CC 及ROV 本體及作業底盤工程化產品，打造了“開拓者”號后浪01 型工作級ROV，如圖11所示。該系統的開發應用了上百家供應商的產品，分別展開了單體部件級測試、子系統級測試和整機測試，主要測試項點如表4所示，測試內容為成套系統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水深應用；絞車和A 架的動載和 靜載取DNVGL、Lloyds 和IMCA 相關規范中的最大值［11-13］。如表5 所示，該系統在碼頭完成了成套系統的安裝和調試；在南海某區域展開了深海系統性能和功能驗證，并成功下潛至海底深度3 789 m，完成了各項海試內容，滿足4 000 m級深?？瓶家?。

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

表5 ROV 系統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行深海生態系統科學考察任務，在9天內完成8個潛次，累計水下作業時間超43 h，展開了生物、表層泥土、深沉泥土及水取樣，水環境溫鹽深和甲烷測量，以及海底培養和遷移試驗，取得了大量的生物和沉積物樣品、定點海水、高清影像及調查數據等，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Fig. 15 Submarine biological trapping and culture with ROV

4 結束語

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