CN108045530A - 一种海底电缆探测水下机器人及作业方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海底电缆探测水下机器人及作业方法，本发明借助电缆安全接口可实现ROV/AUV模式相互切换，具有自主航行、远程控制和精准探测的能力，用于海底电缆工程的施工勘测、日常巡检及故障探测。可在海底电缆工程开工前对海底电缆路由的地形地貌进行施工勘测，对投入运行的海底电缆埋设及运行状况进行日常巡检，并对出现故障或断裂事故的海底电缆进行现场抵近观察。

Description

一种海底电缆探测水下机器人及作业方法
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种海底电缆探测水下机器人及作业方法。
背景技术
海底电缆敷设是世界公认极具难度的大型工程，需要在施工前进行细致的海底勘测，以便为海底电缆敷设提供施工依据和技术支持。其中包括对敷设路线路由(海底电缆埋设沟)的地形地貌、海底面状况(海底障碍物及已建其他管线)以及潜在的灾害性地质现象(滑坡、冲刷等)等情况的勘测。传统的海底电缆施工勘测通常通过海面作业船只携带声纳等探测设备对海底区域进行勘测，这种勘测方式费用高、效率低，且受航道管制、海域气候、海洋水文等客观因素影响。另外，投入运行后的海底电缆还需要进行定期巡检，以排查海底电缆本体可能存在的问题(如缆体是否裸露于埋设沟之外，外皮腐蚀、磨损程度等)以及海底电缆路由区域受到的潜在威胁(如海床地质变化、海洋沉积物覆盖等)。如遇到作业船只锚体或渔网拉扯导致海底电缆断裂等事故，虽然海底电缆远距离监测系统可能检测出海底电缆故障原因且能提供大致故障位置，但不能对电缆故障位置(断裂处可能发生移位)进行精确定位，更无法对故障现场进行探测，这会严重影响故障电缆的维修作业效率。目前，海底电缆的日常巡检和故障探测以人工潜水目视观察为主，这种作业方式不但可靠性差，危险性高，且不适用于深海作业。
近年来，随着水下机器人的可靠性、稳定性和安全性不断提高，使用无人水下机器人进行海底电缆敷设施工勘测及运行故障探测成为了国内外学者的研究热点。无人水下机器人(UUV，Unmanned Underwater Vehicle)也被称作无人水下航行器，是一种工作于水下进行极限作业的无人机器人系统，可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业。无人水下机器人通常分为有缆遥控水下机器人(ROV，RemoteOperated Vehicle)和自主式水下机器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)两大类。它们最大的区别是，ROV通过脐带电缆与水面母船连接，以实现能源供给及信号快速传输，因此操作者可以通过水面母船监视器看到ROV拍摄的实时水下画面或其他探测数据，并控制机器人的水中运动，但其受到脐带电缆限制，通常作业范围有限且运动灵活度差，还易受海洋船只活动影响，或因发生电缆缠绕、断裂导致机器人损坏或丢失。而AUV则可以脱离水面母船支持，具有能源独立、机动灵活、隐蔽性强等优点，能够实现自主能源供给、决策导航、信息感知、作业规划等功能，其作业范围和领域比ROV更远、更广(也受到自身能源储备限制)，可在远洋深海持续自主作业。但因水体对通讯信号的阻碍，AUV通常只能在远距离通过水声或无线通信设备传输有限的作业指令与控制信息，不能传输高质量的视频画面和探测数据，因此无法反应目标点的实时现场情况，降低了探测作业的效率。
此外，现有海洋探测机器人的机体体型和重量均较大，其投放与回收较为困难，需要大型水面母船支持，在浅海以及船只往来频繁海域中使用颇为不便。因此，研究一款小型化、模块化、低成本并兼具ROV/AUV优势的海底电缆探测水下机器人具有十分重要的现实意义，既能为海底电缆的高效运行提供强有力的技术支持和安全保障，也能产生巨大的经济和社会效益。
发明专利(CN 706564576 A)公开了“一种模块化小型无人水下航行器”。该发明整体采用鱼雷构型，对负载系统(任务载荷模块)进行模块化设计，分为负载系统头部段外壳、负载系统内部子模块、动力推进系统和控制制导系统作为一个整体的系统模块这三部分。通过选择不同的负载系统内部子模块，可完成不同作业任务。该发明采用负载系统模块整体更换设计，模块更换较为繁琐，且与控制平台无法进行快速通讯，只能实现AUV探测功能。
发明专利CN 106564576 A公开了“一种长期定点垂直剖面观测型水下机器人”，该发明整体采用鱼雷构型，通过艏部浮力调节段和艉部浮力调节段实现高精度可重复双向浮力调节功能，使水下机器人具有运动姿态调整和定点悬停能力。该发明搭载任务载荷(探测设备等)固定，无法根据任务种类对任务载荷进行更换，且与控制平台无法进行快速通讯，只能实现AUV探测功能。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种海底电缆探测水下机器人及作业方法，本发明借助电缆安全接口可实现ROV/AUV模式相互切换，具有自主航行、远程控制和精准探测的能力，用于海底电缆工程的施工勘测、日常巡检及故障探测。可在海底电缆工程开工前对海底电缆路由的地形地貌进行施工勘测，对投入运行的海底电缆埋设及运行状况进行日常巡检，并对出现故障或断裂事故的海底电缆进行现场抵近观察。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海底电缆探测水下机器人，包括互相连接的水下机器人和远程控制平台,其中：
所述水下机器人包括水下机器人本体，水下机器人本体上承载有：
任务控制模块，被配置为控制动力推进模块实现水下机器人多自由度运动，对航向、高度和航速进行实时调整，储存和传输传感器数据，实现设定的作业任务；
能源模块，被配置为水下机器人各功能模块和设备提供符合使用要求的电能；
动力推进模块，被配置为实现水下机器人的运动状态保持和变更，满足水下机器人的水下运动和作业要求；
通讯模块，被配置为实现水下机器人与远程控制平台之间的信息数据传输，将采集的视频图像和其他传感器信息进行上传；
导航定位模块，被配置为用于感知环境和自身状态进而服务于运动控制；
任务载荷模块，被配置为通过任务载荷重构的方式使水下机器人装配不同的探测设备；
应急安全模块，被配置为实现水下机器人应急安全处理的装置；
所述远程控制平台，被配置为进行水下机器人运动与任务规划、管理与调度，信息通讯协调和实时状态监控，以及探测信息记录与管理，布放回收过程操控，以对水下机器人平台进行精确控制与管理。
进一步的，所述水下机器人本体包括鱼雷状外壳，由同轴线的艏舱、中舱和艉舱三个舱段依次相连构成，三个舱段均为非密封耐压舱，舱内浸水。
进一步的，所述艏舱壳体分为两段，一段为透明玻璃罩结构，另一段为碳纤维复合材料壳体部分，艏舱内部安装有各种防水耐压设备、导航定位传感器和探测设备。
进一步的，中舱内部安装有圆柱形的密封耐压舱，通过支撑结构与机体外壳相固接，中舱壳体外部上方安装有复合天线。
进一步的，艉舱内部安装有垂直辅助推进器、水平辅助推进器、艉部浮力调节装置和艉部应急抛载装置。
进一步的，任务控制模块包括任务控制计算机，任务控制计算机在水下机器人运行时进行实时状态监测和故障诊断，以保证水下机器人正常的运动状态，并在发生危险和故障时启动报警和应急抛载装置，使水下机器人及时浮上水面实现应急自救。
进一步的，所述能源模块，具体为锂离子蓄电池组，安装于中舱的密封耐压舱内，在水下机器人处于AUV模式时向其他功能模块和用电设备提供电能,在水下机器人处于ROV模式时通过脐带电缆接收水面母船的电能充电，通过电池监控传感器监测水下机器人电池组的运行状态，并通过任务控制计算机上传至远程控制平台进行显示。
进一步的，所述动力推进模块包括安装在水下机器人艉舱壳体后部的主推进器和中舱密封耐压舱内部的主推进电机，安装在艉舱壳体外部垂直交叉布局的方向舵、升降舵及其驱动舵机，安装在艉舱内部的垂直辅助推进器、水平辅助推进器及其辅助推进电机，安装在艏舱内部的艏部浮力调节装置和艉舱内部的艉部浮力调节装置。
艉舱壳体外部安装有升降舵和方向舵，升降舵由安装在艉舱内部的升降舵机驱动，改变水下机器人的俯仰角进而产生上浮和下潜运动；方向舵由安装在艉舱内部的方向舵机驱动，改变水下机器人的航向角进而产生转向运动，通过控制主推进器、垂直辅助推进器和水平辅助推进器这三个螺旋桨推进器的运动，并调节升降舵和方向舵的角度，从而使水下机器人实现前进、后退、左转、右转、上浮、下潜、定点悬停、定点旋转、左右平移中任意一种运动或任意几种运动组合，使其具有强大而灵活的多自由度运动能力。
所述导航定位模块，包括安装在艏舱内部的前视声呐、高度计、深度计和多普勒计程仪，以及安装在中舱密封耐压舱内的光纤罗经运动传感器和GPS定位接收机。
所述任务载荷模块包括转动云台、水下摄像机和LED探照灯，转动云台安装于水下机器人艏舱的壳体上，使其部分凸显于艏舱前端的透明玻璃罩中，实现左右转动与上下俯仰两个方向的运动，灵活调整云台支架角度扩大观察视角，水下摄像机，安装于水下机器人艏舱前端的转动云台上，实现对海底路由地形及海底电缆的近距离细致观察，以判断障碍物具体种类或海底电缆的损坏程度，LED探照灯，安装在水下摄像机的下方，由转动云台带动与水下摄像机同轴转动，透过艏舱前端的透明玻璃罩为水下摄像机提供足够的水下照明。
进一步的，在水下机器人不采用视觉探测设备时，在转动云台上安装多波束测深声呐或浅地层剖面仪。
所述应急安全模块，包括应急抛载装置和抛绳器，应急抛载装置共两个，分别安装于艏舱内部和艉舱内部，应急抛载装置由电磁铁和压铁组成，电磁铁通电产生磁性力吸引压铁，使水下机器人产生零浮力，当出现紧急状况时，使电磁铁断电，电磁铁磁性消失，压铁通过重力作用下沉，离开水下机器人机体，此时水下机器人产生正浮力浮至水面；
所述抛绳器，安装于艉舱壳体外部，在回收过程中启动抛绳器抛出牵引绳。
基于上述机器人，具有AUV模式，在此模式下的作业方法，水下机器人为无缆状态，水下机器人与远程控制平台通过数传电台和复合天线进行通讯，根据施工前设定的路由勘测线路或施工时记录的海底电缆路由电子海图在远程控制平台生成作业任务和路径规划指令，水下机器人利用露出海面的复合天线通过数传电台接收指令，作业时，水下机器人在路由区域上方作固定航速和固定高度的直线运动，并使用水下摄像机等任务载荷对路由区域海床进行扫拍，任务载荷采集到的视频图像或其他传感器信息存储进任务控制计算机内部硬盘，待作业任务结束后由脐带电缆连接远程控制平台进行读取和后期处理，水下机器人依靠自身锂离子蓄电池组的电能供电进行运动，并定期上浮通过GPS对自身位置进行实时更正，对行进路线进行调整，当水下机器人与水面母船上的远程控制平台之间距离超出数传电台的最大通讯范围时，依据事先收到的任务指令，水下机器人通过任务控制计算机自主规划行进路线并继续执行任务。
基于上述机器人，具有ROV模式，在此模式下的作业方法，水下机器人为有缆状态，水下机器人与远程控制平台通过脐带电缆进行通讯，如果出现故障或断裂事故，获知大体故障位置，由水面母船搭载水下机器人航行至事发附近海域，将水下机器人布放入水，通过远程控制平台实时操控水下机器人对周边路由区域抵近观测，完成对海底电缆故障探测和精确定位作业，水下机器人通过脐带电缆将任务载荷采集到的视频图像或其他传感器信息上传至远程控制平台，进行实时处理和显示，并在行进时通过脐带电缆接收水面母船的电能充电。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、具有两种作业模式。水下机器人处于AUV模式时，此时水下机器人为无缆状态，可脱离水面母船限制，通过数传电台和复合天线接收指令，并可在通讯范围以外自主设定作业任务和行进路线，以完成对海底电缆路由勘测和日常巡检作业。水下机器人处于ROV模式时，此时水下机器人为有缆状态，与远程控制平台通过脐带电缆进行通讯，可实时上传视频图像或其他传感器信息，并接收水面母船的电能充电，以完成对海底电缆故障探测和精确定位作业。
2、具有电缆解脱功能。当水下机器人从ROV模式转变为AUV模式，或者脐带电缆与水下障碍物发生缠绕致使水下机器人运动受阻无法脱身时，可通过任务控制计算机控制电缆安全接口与脐带电缆进行解脱，使水下机器人与脐带电缆处于分离状态。
3、任务载荷可重构。水下机器人根据不同作业任务需要携带不同的探测设备，但其体内空间和载重有限，因此通过任务载荷重构的方式使水下机器人可以换装不同的探测设备，以满足作业环境和任务的特殊需要，提高水下机器人的实用性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明硬件结构示意图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的侧视解剖图；
图4是本发明的俯视解剖图；
其中：1.外壳、2.艏舱、3.中舱、4.艉舱、5.透明玻璃罩、6.密封耐压舱、7.主推进器、8.主推进器电机、9.垂直辅助推进器、10.水平辅助推进器、11.升降舵、12.方向舵、13.艏部浮力调节装置、14.艏部应急抛载装置、15.艉部浮力调节装置、16.艉部应急抛载装置、17.转动云台、18.水下摄像机、19.LED探照灯、20.前视声呐、21.高度计、22.深度计、23.多普勒计程仪、通讯导航设备(24.光纤罗经运动传感器、25.GPS定位接收机、26.数传电台)、27.复合天线、28.任务控制计算机、29.锂离子蓄电池组、30.电缆安全接口、31.脐带电缆。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在因水体对通讯信号的阻碍，AUV通常只能在远距离通过水声或无线通信设备传输有限的作业指令与控制信息，不能传输高质量的视频画面和探测数据，因此无法反应目标点的实时现场情况，降低了探测作业的效率。此外，现有海洋探测机器人的机体体型和重量均较大，其投放与回收较为困难，需要大型水面母船支持，在浅海以及船只往来频繁海域中使用颇为不便的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种海底电缆探测水下机器人。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了一种海底电缆探测水下机器人。该水下机器人借助电缆安全接口可实现ROV/AUV模式相互切换，具有自主航行、远程控制和精准探测的能力，用于海底电缆工程的施工勘测、日常巡检及故障探测。可在海底电缆工程开工前对海底电缆路由的地形地貌进行施工勘测，对投入运行的海底电缆埋设及运行状况进行日常巡检，并对出现故障或断裂事故的海底电缆进行现场抵近观察。
一种海底电缆探测水下机器人，包括：水下机器人和远程控制平台。水下机器人为位于水面下的水下机器人，远程控制平台位于水面母船上或岸边监控车辆上。
水下机器人机体内部安装有各种传感器和探测设备，主要分为两类：第一类为导航定位传感器，用于感知环境和自身状态进而服务于运动控制，如前视声纳、高度计、深度计、多普勒计程仪、光纤罗经运动传感器、GPS定位接收机等；第二类为任务载荷，用于海底地形勘测和海底电缆探测，如水下摄像机、LED探照灯等。
1.水下机器人包括载体结构、任务控制模块、能源模块、动力推进模块、通讯模块、导航定位模块、任务载荷模块和应急安全模块。
2.载体结构
载体结构是水下机器人的主体。为使水下机器人具有低阻、低噪和优良的运动灵活性、稳定性，水下机器人采用鱼雷状外形设计。鱼雷状机体外壳为非密封耐压结构，壳内浸水，采用碳纤维复合材料制造而成。
非密封浸水结构可以使水下机器人外壳内外压平衡，不会受到海水挤压变形，因此在设计外壳时不必过多考虑结构受力，既降低了外壳选材的难度，又可以依照流体力学特性进行低阻设计，还可以通过减小外壳结构的厚度最大限度地降低水下机器人的自重。由于水下机器人自重小，降低了机体试验配平难度，同时也提高了水下机动性能，增加了续航时间。
载体结构的外壳由同轴线的艏舱、中舱和艉舱三个舱段依次相连构成。
艏舱为非密封耐压舱，舱内浸水。艏舱壳体分为两段，一段为透明玻璃罩结构，另一段为碳纤维复合材料壳体部分。艏舱内部安装有各种防水耐压设备、导航定位传感器和探测设备，包括转动云台、水下摄像机、LED探照灯、多波束测深声呐(选配)、浅地层剖面仪(选配)、前视声呐、高度计、深度计、多普勒计程仪、艏部浮力调节装置、艏部应急抛载装置等。
中舱为非密封耐压舱，舱内浸水。中舱内部安装有圆柱形的密封耐压舱，通过支撑结构与机体外壳相固接。耐压舱采用金属合金材料制造，可以耐受300m深处的海水压力。密封耐压舱舱内无水，内部安装有各种非防水耐压设备与传感器，包括光纤罗经运动传感器、GPS定位接收机、数传电台、任务控制计算机、锂离子蓄电池组、主推进器电机等。中舱壳体外部上方安装有复合天线。
艉舱为非密封耐压舱，舱内浸水。艉舱内部安装有各种防水耐压设备，包括垂直辅助推进器、水平辅助推进器、艉部浮力调节装置、艉部应急抛载装置等。艉舱壳体后部安装有主推进器(导管螺旋桨)、升降舵和方向舵。
3.任务控制模块
任务控制模块安装在水下机器人中舱的密封耐压舱内，主要包括任务控制计算机。任务控制计算机具有数据采集、数据处理、数据传输、运动控制、任务规划和数据存储等功能，通过控制不同的推进器和方向舵实现水下机器人多自由度运动，对航向、高度、航速进行实时调整，储存和传输传感器数据，实现设定的作业任务。
在水下机器人处于AUV模式时，此时水下机器人为无缆状态，可完成对海底电缆路由勘测和日常巡检作业。任务控制计算机通过数传电台和复合天线接收远程控制平台发出的作业任务和路径规划指令，控制动力推进模块的主推进器、辅助推进器、升降舵和方向舵动作，实现水下机器人相应的水下运动。同时，任务控制计算机采集各种传感器的信息数据并进行数字化处理，用于水下机器人的运动状态调整和自主避障。对安装于艏舱的转动云台角度进行预先调整，使选配的任务载荷(如水下摄像机、LED探照灯)朝向达到合适角度，并将采集的视频信息和其他传感器数据存储进任务控制计算机内部硬盘，待作业任务结束后由脐带电缆连接远程控制平台进行读取和处理。
在水下机器人处于ROV模式时，此时水下机器人为有缆状态，可完成对海底电缆故障探测和精确定位作业。任务控制计算机通过脐带电缆接收来自远程控制平台的控制指令，控制动力推进模块的主推进器、辅助推进器、升降舵和方向舵动作，实现水下机器人相应的水下运动，使水下机器人行进到通过其他海底电缆监测设备确定的大致故障位置，进行抵近探测。同时，任务控制计算机将任务载荷采集的视频信息和其他传感器数据通过脐带电缆实时上传至远程控制平台，并根据远程控制平台指令对安装于艏舱的转动云台角度进行实时控制，使选配的任务载荷(如水下摄像机、LED探照灯)朝向达到最佳探测角度。
另外，任务控制计算机在水下机器人运行时进行实时状态监测和故障诊断，以保证水下机器人正常的运动状态，并在发生危险和故障时启动报警和应急抛载装置，使水下机器人及时浮上水面实现应急自救。
4.能源模块
能源模块负责为水下机器人各功能模块和设备提供符合使用要求的电能。考虑水下机器人体积空间的限制和多次使用要求，选择能量密度较高的可充电聚合物锂离子蓄电池组作为机器人供电能源。锂离子蓄电池组安装于中舱的密封耐压舱内，在水下机器人处于AUV模式时向其他功能模块和用电设备提供电能,在水下机器人处于ROV模式时通过脐带电缆接收水面母船的电能充电。
此外，通过电池监控传感器监测水下机器人电池组的运行状态，并通过任务控制计算机上传至远程控制平台进行显示，以保证电池组稳定可靠。
5.动力推进模块
动力推进模块用于实现水下机器人的运动状态保持和变更，满足水下机器人的水下运动和作业要求。动力推进模块包括安装在水下机器人艉舱壳体后部的主推进器(导管螺旋桨)和中舱密封耐压舱内部的主推进电机，安装在艉舱壳体外部垂直交叉布局的方向舵、升降舵及其驱动舵机，安装在艉舱内部的垂直辅助推进器、水平辅助推进器及其辅助推进电机，安装在艏舱内部的艏部浮力调节装置和艉舱内部的艉部浮力调节装置。
主推进器及其主推进电机，负责为水下机器人提供运动动力和航速控制能力，可以通过正反转来决定前进还是后退。主推进器采用导管螺旋桨推进形式。
艉舱内部安装两个辅助推进器。一个是在艉舱内部垂直安装的垂直辅助推进器，负责水下机器人在低速或静止时产生上浮和下潜运动；另一个是在艉舱内部水平安装的水平辅助推进器，负责水下机器人在低速或静止时产生水平横移运动。
艉舱壳体外部安装有升降舵和方向舵。升降舵由安装在艉舱内部的升降舵机驱动，可改变水下机器人的俯仰角进而产生上浮和下潜运动；方向舵由安装在艉舱内部的方向舵机驱动，可改变水下机器人的航向角进而产生转向运动。任务控制计算机实时控制主推进器、垂直辅助推进器和水平辅助推进器这三个螺旋桨推进器的运动，并调节升降舵和方向舵的角度，从而使水下机器人实现前进、后退、左转、右转、上浮、下潜、定点悬停、定点旋转、左右平移中任意一种运动或任意几种运动组合，使其具有强大而灵活的多自由度运动能力。
艏部浮力调节装置和艉部浮力调节装置，通过改变蓄水舱内液位高低，实现重力和浮力双向调节，进而实现水下机器人的运动姿态调整和定点悬停。
6.通讯模块
通讯模块用于实现水下机器人与远程控制平台之间的信息数据传输。包括安装在中舱壳体外的复合天线、电缆安全接口、脐带电缆，以及安装在中舱封闭耐压舱内部的数传电台。
在水下机器人处于AUV模式时，水下机器人为无缆状态，即电缆安全接口与脐带电缆处于分离状态。受到水体对无线通信的阻碍和无线通信自身传输速率限制，此时水下机器人需将复合天线露出水面，通过数传电台将部分重要的运动状态信息上传至远程控制平台，并接收远程控制平台发出的作业任务和路径规划指令，无法将采集的视频图像和其他传感器信息进行上传。
在水下机器人处于ROV模式时，水下机器人为有缆状态，即电缆安全接口与脐带电缆处于连接状态。脐带电缆具有抗压、抗拉、耐弯折、耐腐蚀等优点，可提供高达几Mbps至几十Mbps的数据传输速率，且因自身零浮力，对水下机器人的运动不会产生影响。通过脐带电缆，既可实现水下机器人任务载荷采集的高质量视频信息和其他传感器数据经任务控制计算机实时上传至远程控制平台，又能接收远程控制平台发出的作业任务和路径规划指令，还可借助水面母船的电源对锂离子蓄电池组进行充电。
电缆安全接口，是一种用于将连接在水下机器人上的脐带电缆解脱的装置。当水下机器人从ROV模式转变为AUV模式，或者脐带电缆与水下障碍物发生缠绕致使水下机器人运动受阻无法脱身时，可通过任务控制计算机控制电缆安全接口与脐带电缆进行解脱，使水下机器人与脐带电缆处于分离状态。
7.导航定位模块
导航定位模块提供水下机器人的速度、姿态等信息，是实现机器人水中运动控制的基础，对于执行水下探测任务起着至关重要的作用。导航定位模块包括安装在艏舱内部的前视声呐、高度计、深度计、多普勒计程仪，以及安装在中舱密封耐压舱内的光纤罗经运动传感器、GPS定位接收机。前视声呐、高度计、深度计、多普勒计程仪、光纤罗经运动传感器、GPS定位接收机的信号输出端均与任务控制计算机的信号输入端相连接。
导航定位模块中的前视声呐，安装于水下机器人艏舱内部，用于测量同一水平面周围目标或障碍物的状况，为水下机器人提供前视环境。前视声呐采集的图像信息由任务控制计算机采集处理并实现水下机器人行进自主避障和路径规划(AUV模式)，或经任务控制计算机上传至远程控制平台由人工处理(ROV模式)。
导航定位模块中的高度计，安装于水下机器人艏舱内部，用于测量水下机器人与海底的高度数据。
导航定位模块中的深度计，安装于水下机器人艏舱内部，用于测量水下机器人的航行深度。
导航定位模块中的多普勒计程仪，安装于水下机器人艏舱内部，用于测量水下机器人的航行速度和累计航程。
导航定位模块中的光纤罗经运动传感器，安装于中舱密封耐压舱内部，用于测量水下机器人的航向角、俯仰角和横滚角等实时姿态信息。
导航定位模块中的GPS定位接收机，安装于中舱密封耐压舱内部，用于接收位置和时间信息。当水下机器人在水面航行时，利用复合天线接收到的GPS信息进行位置校正，进而调整水下机器人的运动状态和航向并通过数传电台和复合天线向远程控制平台发送位置信息(AUV模式)。
8.任务载荷模块
水下机器人根据作业任务需要携带不同的探测设备，但其体内空间和载重有限，因此通过任务载荷重构的方式使水下机器人可以换装不同的探测设备，减小了水下机器人的尺寸和重量，也满足了不同作业环境和任务的需要，提高了实用性。
任务载荷模块包括转动云台、水下摄像机、LED探照灯、多波束测深声呐(选配)、浅地层剖面仪(选配)等。
任务载荷模块中的转动云台，安装于水下机器人艏舱的壳体上，使其部分凸显于艏舱前端的透明玻璃罩中，可实现左右转动与上下俯仰两个方向的运动，可灵活调整云台支架角度扩大观察视角。转动云台的驱动舵机信号输入端与任务控制计算机的信号输出端相连接，由任务控制计算机控制转动云台的左右转动和上下俯仰运动，以获得最佳观察与探测角度。
任务载荷模块中的水下摄像机，安装于水下机器人艏舱前端的转动云台上，可实现对海底路由地形及海底电缆的近距离细致观察，以判断障碍物具体种类或海底电缆的损坏程度。水下摄像机由转动云台带动转动，透过艏舱前端的透明玻璃罩采集视觉图像信息，由任务控制计算机读取并存储进自身的硬盘里等作业结束再连接远程控制平台进行读取和处理(AUV模式)或者通过任务控制计算机实时上传至水面的远程控制平台(ROV模式)进行处理。水下摄像机的变焦等操作也由任务控制计算机进行控制。
任务载荷模块中的LED探照灯，安装在水下摄像机的下方，由转动云台带动与水下摄像机同轴转动，透过艏舱前端的透明玻璃罩为水下摄像机提供足够的水下照明。LED探照灯的信号输入端与任务控制计算机的信号输出端相连接，由任务控制计算机控制LED探照灯的开关及亮度。
另外，如不采用视觉探测设备，可在转动云台相同位置安装多波束测深声呐(选配)、浅地层剖面仪(选配)等设备作为任务载荷。
9.应急安全模块
应急安全模块是水下机器人自由航行、安全作业的保障。海洋环境的不可预测性、机体结构的破坏、机载设备的故障等特殊情况，均可能引发水下机器人的漏水、破损、设备异常、瞬间快速下沉等安全问题，这就要求机器人在面临威胁时能够快速上浮水面，实施自救或等待援救。因此，水下机器人应具有应急安全处理能力，保证水下机器人在规定时间内尽快上浮到水面。
应急安全模块包括应急抛载装置和抛绳器。
应急安全模块的应急抛载装置共两个，分别安装于艏舱内部和艉舱内部。应急抛载装置由电磁铁和压铁组成，电磁铁通电产生磁性力吸引压铁，使水下机器人产生零浮力。当出现紧急状况时，使电磁铁断电，电磁铁磁性消失，压铁通过重力作用下沉，离开水下机器人机体，此时水下机器人产生正浮力浮至水面。
应急安全模块的抛绳器，安装于艉舱壳体外部。抛绳器通常由任务控制计算机控制，在回收过程中启动抛绳器抛出牵引绳，方便在水面母船上的回收人员打捞并将水下机器人回收到水面母船上。当出现紧急状况时，应急抛载装置将压铁抛出后水下机器人会快速上浮，上浮至水面后任务控制计算机会通过数传电台和复合天线告知水面母船其所在的位置，并启动抛绳器抛出牵引绳，等待水面母船回收。
远程控制平台
远程控制平台安装于水面母船或岸边监控车辆上，是海底电缆探测水下机器人系统的控制核心，具有水下机器人运动与任务规划、管理与调度，信息通讯协调管理，实时状态监控，探测信息记录与管理，布放回收过程操控、紧急情况处理等多种功能，能够对水下机器人平台进行更精确、更有效的控制与管理，提高了水下机器人探测作业的自动化水平以及状态判断的准确性。
远程控制平台包括远程通信模块、任务控制模块、数据传输与存储模块、数据处理与分析模块、信息显示模块等部分。
作业方法
水下机器人对于海底电缆的探测作业拥有两种模式，可根据所承担的不同作业任务进行快速切换。两种作业模式分别是：
(1)AUV模式
水下机器人处于AUV模式时，此时水下机器人为无缆状态，水下机器人与远程控制平台通过数传电台和复合天线进行通讯。操作人员根据施工前设定的路由勘测线路或施工时记录的海底电缆路由电子海图(含海底地形、海底电缆敷设位置数据)在远程控制平台生成作业任务和路径规划指令，水下机器人利用露出海面的复合天线通过数传电台接收指令，可完成对海底电缆路由勘测和日常巡检作业。作业时，水下机器人在路由区域上方作固定航速和固定高度的直线运动，并使用水下摄像机等任务载荷对路由区域海床进行扫拍，任务载荷采集到的视频图像或其他传感器信息存储进任务控制计算机内部硬盘，待作业任务结束后由脐带电缆连接远程控制平台进行读取和后期处理，以排查海底电缆本体可能存在的问题以及海底电缆路由区域受到的潜在威胁。AUV模式下的水下机器人，依靠自身锂离子蓄电池组的电能供电进行运动，并定期上浮通过GPS对自身位置进行实时更正，对行进路线进行调整。当水下机器人与水面母船上的远程控制平台之间距离超出数传电台的最大通讯范围时，依据事先收到的任务指令，水下机器人通过任务控制计算机自主规划行进路线并继续执行任务。探测作业任务结束后，水下机器人重新回到任务起始海域并通知水面母船进行回收。
AUV模式的优点是使水下机器人脱离水面母船支持，能够实现自主能源供给、决策导航、信息感知、作业规划，即使是在海况较差或航道复杂致使水面母船无法正常工作的情况下，深海区域情况相对稳定，水下机器人依然可以正常执行作业任务，不受风浪影响。因此，水下机器人的作业范围和环境适应性都大幅提高。
(2)ROV模式
水下机器人处于ROV模式时，此时水下机器人为有缆状态，水下机器人与远程控制平台通过脐带电缆进行通讯。如果出现故障或断裂事故，通过其他检测仪器可以获知大体故障位置，由水面母船搭载水下机器人航行至事发附近海域，将水下机器人布放入水，操作人员通过远程控制平台实时操控水下机器人对周边路由区域抵近观测，完成对海底电缆故障探测和精确定位作业。ROV模式下的水下机器人，可通过脐带电缆将任务载荷采集到的视频图像或其他传感器信息上传至远程控制平台，进行实时处理和显示，并可在行进时通过脐带电缆接收水面母船的电能充电。
ROV模式的优点是水下机器人可借助水面母船的电能进行长时间水下作业，且任务载荷采集的视频图像和其他信息可以实时上传至远程控制平台，使操作人员可以根据海底图像操控水下机器人进行近距离抵近观测，以及时发现海底电缆故障位置和类型。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：包括互相连接的水下机器人和远程控制平台,其中：
所述水下机器人包括水下机器人本体，水下机器人本体上承载有：
任务控制模块，被配置为控制动力推进模块实现水下机器人多自由度运动，对航向、高度和航速进行实时调整，储存和传输传感器数据，实现设定的作业任务；
能源模块，被配置为水下机器人各功能模块和设备提供符合使用要求的电能；
动力推进模块，被配置为实现水下机器人的运动状态保持和变更，满足水下机器人的水下运动和作业要求；
通讯模块，被配置为实现水下机器人与远程控制平台之间的信息数据传输，将采集的视频图像和其他传感器信息进行上传；
导航定位模块，被配置为用于感知环境和自身状态进而服务于运动控制；
任务载荷模块，被配置为通过任务载荷重构的方式使水下机器人装配不同的探测设备；
应急安全模块，被配置为实现水下机器人应急安全处理的装置；
所述远程控制平台，被配置为进行水下机器人运动与任务规划、管理与调度，信息通讯协调和实时状态监控，以及探测信息记录与管理，布放回收过程操控，以对水下机器人平台进行精确控制与管理。
2.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：所述水下机器人本体包括鱼雷状外壳，由同轴线的艏舱、中舱和艉舱三个舱段依次相连构成，三个舱段均为非密封耐压舱，舱内浸水；
所述艏舱壳体分为两段，一段为透明玻璃罩结构，另一段为碳纤维复合材料壳体部分，艏舱内部安装有各种防水耐压设备、导航定位传感器和探测设备。
所述中舱内部安装有圆柱形的密封耐压舱，通过支撑结构与机体外壳相固接，中舱壳体外部上方安装有复合天线。
所述艉舱内部安装有垂直辅助推进器、水平辅助推进器、艉部浮力调节装置和艉部应急抛载装置。
3.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：任务控制模块包括任务控制计算机，任务控制计算机在水下机器人运行时进行实时状态监测和故障诊断，以保证水下机器人正常的运动状态，并在发生危险和故障时启动报警和应急抛载装置，使水下机器人及时浮上水面实现应急自救。
4.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：所述能源模块，具体为锂离子蓄电池组，安装于中舱的密封耐压舱内，在水下机器人处于AUV模式时向其他功能模块和用电设备提供电能,在水下机器人处于ROV模式时通过脐带电缆接收水面母船的电能充电，通过电池监控传感器监测水下机器人电池组的运行状态，并通过任务控制计算机上传至远程控制平台进行显示。
5.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：所述动力推进模块包括安装在水下机器人艉舱壳体后部的主推进器和中舱密封耐压舱内部的主推进电机，安装在艉舱壳体外部垂直交叉布局的方向舵、升降舵及其驱动舵机，安装在艉舱内部的垂直辅助推进器、水平辅助推进器及其辅助推进电机，安装在艏舱内部的艏部浮力调节装置和艉舱内部的艉部浮力调节装置；
或，艉舱壳体外部安装有升降舵和方向舵，升降舵由安装在艉舱内部的升降舵机驱动，改变水下机器人的俯仰角进而产生上浮和下潜运动；方向舵由安装在艉舱内部的方向舵机驱动，改变水下机器人的航向角进而产生转向运动，通过控制主推进器、垂直辅助推进器和水平辅助推进器这三个螺旋桨推进器的运动，并调节升降舵和方向舵的角度，从而使水下机器人实现前进、后退、左转、右转、上浮、下潜、定点悬停、定点旋转和左右平移中任意一种运动或任意几种运动组合，使其具有强大而灵活的多自由度运动能力。
6.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：所述导航定位模块，包括安装在艏舱内部的前视声呐、高度计、深度计和多普勒计程仪，以及安装在中舱密封耐压舱内的光纤罗经运动传感器和GPS定位接收机。
7.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：所述任务载荷模块包括转动云台、水下摄像机和LED探照灯，转动云台安装于水下机器人艏舱的壳体上，使其部分凸显于艏舱前端的透明玻璃罩中，实现左右转动与上下俯仰两个方向的运动，灵活调整云台支架角度扩大观察视角，水下摄像机，安装于水下机器人艏舱前端的转动云台上，实现对海底路由地形及海底电缆的近距离细致观察，以判断障碍物具体种类或海底电缆的损坏程度，LED探照灯，安装在水下摄像机的下方，由转动云台带动与水下摄像机同轴转动，透过艏舱前端的透明玻璃罩为水下摄像机提供足够的水下照明,在不采用视觉探测设备时，在转动云台上安装多波束测深声呐或浅地层剖面仪。
8.如权利要求1所述的一种海底电缆探测水下机器人，其特征是：所述应急安全模块，包括应急抛载装置和抛绳器，应急抛载装置共两个，分别安装于艏舱内部和艉舱内部，应急抛载装置由电磁铁和压铁组成，电磁铁通电产生磁性力吸引压铁，使水下机器人产生零浮力，当出现紧急状况时，使电磁铁断电，电磁铁磁性消失，压铁通过重力作用下沉，离开水下机器人机体，此时水下机器人产生正浮力浮至水面。
9.如权利要求1-8中任一项所述的机器人具有AUV模式，在此模式下的作业方法，其特征是：水下机器人为无缆状态，水下机器人与远程控制平台通过数传电台和复合天线进行通讯，根据施工前设定的路由勘测线路或施工时记录的海底电缆路由电子海图在远程控制平台生成作业任务和路径规划指令，水下机器人利用露出海面的复合天线通过数传电台接收指令，作业时，水下机器人在路由区域上方作固定航速和固定高度的直线运动，并使用水下摄像机等任务载荷对路由区域海床进行扫拍，任务载荷采集到的视频图像或其他传感器信息存储进任务控制计算机内部硬盘，待作业任务结束后由脐带电缆连接远程控制平台进行读取和后期处理，水下机器人依靠自身锂离子蓄电池组的电能供电进行运动，并定期上浮通过GPS对自身位置进行实时更正，对行进路线进行调整，当水下机器人与水面母船上的远程控制平台之间距离超出数传电台的最大通讯范围时，依据事先收到的任务指令，水下机器人通过任务控制计算机自主规划行进路线并继续执行任务。
10.如权利要求1-8中任一项所述的具有ROV模式，在此模式下的作业方法，其特征是：水下机器人为有缆状态，水下机器人与远程控制平台通过脐带电缆进行通讯，如果出现故障或断裂事故，获知大体故障位置，由水面母船搭载水下机器人航行至事发附近海域，将水下机器人布放入水，通过远程控制平台实时操控水下机器人对周边路由区域抵近观测，完成对海底电缆故障探测和精确定位作业，水下机器人通过脐带电缆将任务载荷采集到的视频图像或其他传感器信息上传至远程控制平台，进行实时处理和显示，并在行进时通过脐带电缆接收水面母船的电能充电。
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