作者：王秋琰 WANG Qiu-yan
摘要
随着海洋经济的快速发展和深海资源的逐渐开发，缆控水下机器人（ROV）的应用日益广泛。根据《海洋发展“十四五”规划》，加强海洋科技创新能力、推进深海技术的研发已成为国家战略目标之一。ROV 凭借其在高风险水域的操作能力，已成为海洋工程、资源勘探及环境保护的重要工具。针对此，本文深入研究 ROV 的关键技术，包括控制系统、动力系统和传感器技术。通过对液压与电动驱动系统的分析，探讨出能源管理和多种传感器的集成与数据处理方法。
前言
我国在深海资源开发、海洋生态保护及防灾救援等方面亟需高效、智能的水下作业解决方案。ROV 的普及可进一步提高水下作业的安全性，也为科学研究和工程实践提供强有力的技术支持。然而，ROV在实际应用中面临诸多挑战,包括复杂的水下环境、设备的可靠性和智能化水平等。因此，需积极探讨 ROV 的控制系统、动力系统和传感器技术等关键领域,以期为 ROV 技术创新发展提供参考。
一、POV的基本机构与工作原理
1.1 主要组件
解析ROV(遥控水下机器人)的主要结构由多个关键组件组成,每个组件在其水下作业中均有关键作用:
①机身：ROV 的机身一般采用耐腐蚀材料(如铝合金或复合材料),直径一般为 600mm 至 1,200mm,可在深度达到 3.000m 的环境中工作。
②推进系统：一般配置有4到6个推进器，功率在1kW 到5kW 之间，推进器的尺寸一般为150mm 至300mm,可提供稳定的运动和灵活的操控能力。③控制系统:采用实时操作系统(RTOS)，内置处理器频率在 1GHz以上,可处理来自各类传感器的数据并执行指令。控制系统一般配备冗余设计,以提高安全性。4传感器:ROV 配备多种传感器，包括高清摄像头(分辨率可达 1080p)、声呐系统(工作频率在200kHz至400 kHz 之间)和环境监测传感器( 如温度、深度传感器,量程一般为 0至 3.000m)。
⑤机械手臂：ROV 一般配备一到两个机械手臂,工作负载能力可达 30kg，机械手臂的自由度一般为5到7,可完成抓取、切割等多种作业。
④传感器:ROV 配备多种传感器，包括高清摄像头(分辨率可达 1080p)、声呐系统(工作频率在 200kHz至400 kHz 之间)和环境监测传感器( 如温度、深度传感器,量程一般为 0至 3,000m)。
⑤机械手臂:ROV 一般配备一到两个机械手臂,工作负载能力可达 30kg，机械手臂的自由度一般为5到7,可完成抓取、切割等多种作业。
⑥动力包:动力系统的电池容量一般在 24V 至 48V 之间,续航时间可达到6小时,适应长时间的水下作业需求。
1.2 工作原理
ROV 的工作原理基于遥控操作和自动化控制，并结合多种传感器技术和推进系统，以此确保可在水下环境中进行高效化作业。
①遥控操作：ROV 通过电缆(umbilical cable)与控制台连接，电缆内传输电力和数据信号。操作者通过控制台实时发送指令,控制 ROV 的运动和操作。
②推进系统：ROV 配备多个推进器，利用电动机驱动,推力可调节,确保在水下的灵活移动。③传感器反馈:ROV 配备多种传感器(如摄像头、声呐、温度和深度传感器),实时采集环境数据。
④数据处理：ROV 内置控制系统,处理来自各传感器的数据,并执行操作者的指令。控制系统使用实时操作系统(RTOS)来确保数据处理的快速性和准确性。
⑤机械操作：ROV 配备的机械手臂可根据操作者的指令进行多种操作,如抓取、移动、切割等。机械手臂通过液压系统驱动，可在不同水下环境中完成精细的作业。
二、关键技术
2.1 控制系统
2.1.1 自动化与遥控技术
ROV 的控制系统是其核心技术之一，主要分为自动化控制和遥控操作两大部分。自动化控制使 ROV可在水下环境中自主执行任务，而遥控操作则允许操作者通过地面控制台直接指挥 ROV。
①遥控技术:ROV 通过直径约为10 mm 的电缆(um-bilical cable)与控制台相连,电缆内部包含多个光纤和电源线,支持高达 100Mbps 的数据传输速率。操作者通过控制台发送指令,采用协议如 RS-232 或 UDP,以确保数据的快速传输和反馈。
②自动化控制:ROV的自动化系统配备高性能处理器(如 ARM Cortex-A9,处理频率为 1GHz以上),可执行实时任务调度和传感器数据处理。控制算法一般使用 PID(比例-积分-微分)控制器,其公式为
③导航系统:ROV配备惯性导航系统(INS)和全球定位系统(GPS)辅助技术,水下深度传感器(精度可达±0.1m)和方位传感器，以确保在复杂水域中的准确定位和路径规划。
④冗余设计:为提高系统可靠性，控制系统一般采用冗余设计,关键模块(如传感器和处理器)配备备份系统以在主系统发生故障时自动切换,确保 ROV的安全作业，2.1.2 数据传输协议与通信系统ROV 运行依赖于高效的数据传输协议和通信系统确保实时信息的传输与反馈。ROV与地面控制台之间通过-条直径约为 10mm 的电缆(umbilical cable)连接,内部集成了光纤和电源线,支持高达 100Mbps 的数据传输速率。在数据传输协议方面，常用的包括 RS-232 和 UDP(用户数据报协议)。RS-232协议适用于短距离通信，而UDP 协议则适合高速、实时的数据传输。通信系统还包括用于发送视频和控制信号的模块，视频信号一般采用H.264 编码格式,支持 720p 或 1080p 的高清晰度传输。此技术可使操作者清晰地观察水下情况，进行实时决策ROV 配备的各种传感器(深度传感器、声呐、温度传感器会将采集到的数据通过通信系统传回地面控制台,数据传输的延迟一般在 20 毫秒以内,确保实时响应。
2.1.2 数据传输协议与通信系统
ROV 运行依赖于高效的数据传输协议和通信系统，确保实时信息的传输与反馈。ROV与地面控制台之间通过一条直径约为 10mm 的电缆(umbilical cable)连接,内部集成了光纤和电源线,支持高达 100Mbps 的数据传输速率。在数据传输协议方面，常用的包括 RS-232 和 UDP(用户数据报协议)。RS-232 协议适用于短距离通信，而UDP 协议则适合高速、实时的数据传输。通信系统还包括用于发送视频和控制信号的模块，视频信号一般采用H.264 编码格式,支持 720p 或 1080p 的高清晰度传输。此技术可使操作者清晰地观察水下情况，进行实时决策。ROV 配备的各种传感器(深度传感器、声呐、温度传感器)会将采集到的数据通过通信系统传回地面控制台，数据传输的延迟一般在 20 毫秒以内,确保实时响应。
2.2 动力系统
2.2.1 驱动系统类型
①液压驱动系统:液压驱动系统广泛应用于需要高推力和精细控制的水下作业。其主要由液压泵、液压缸和液压马达组成。液压系统的优点在于其高功率密度和良好的负载适应性,适合执行重物抓取和复杂操作，液压系统一般工作在 5.000psi(约 34.5MPa)的压力下,可产生强大的动力，具体计算公式为：
其中，下为输出力(单位:N),P为液压压力(单位:Pa),A为液压缸的有效截面积(单位:m2)。通过调节液压压力和液压缸的面积，可以实现精确地控制。
②电动驱动系统:电动驱动系统近年来得到了广泛应用,尤其是在小型 ROV 中。电动系统一般由电动机、减速器和推进器组成,工作电压一般为 24V 至 48V。电动驱动器的输出功率一般在 1kW 到 5kw 之间。电动驱动的基本原理可以用功率公式表示:P=V·I (3)
其中,P为功率(单位:W),V为电压(单位:V),I为电流(单位:A)。通过调节电压和电流,可以控制推进器的转速和推力。电动驱动系统内部伺服结构见图1。
2.2.2 能源管理技术
①能源来源:ROV 主要能源来源为锂离子电池或铅酸电池。锂离子电池因其较高的能量密度(150-250Wh小g之间)和较长的循环寿命(可达 500-1000 次充放电)而广泛使用B。
②能量管理系统(EMS):ROV内置的能源管理系统负责监控和优化能源使用。EMS 使用实时数据来调整负载和电力分配,以确保关键组件(如推进器和传感器)的供电优先级。通过以下公式，可以计算总能量使用。
2.3 传感器技术
在 ROV 的水下作业中，视觉与声呐传感器的应用结合可提供全面的环境感知能力。视觉传感器一般配置高清摄像头，其分辨率可达 1920x1080 像素(即 1080p),使得ROV 可在水下捕捉高质量的视频图像，实时传回控制台声呐传感器则采用超声波技术，工作频率一般在200kHz 至 400kHz之间,可在水下环境中进行精准地探测和成像。通过声呐成像,ROV 可在浑浊水域(水深达到300m 的泥沙水域)中获取目标物体的三维图像,进行精准定位和导航。
三、应用实例分析——搜救与救援任务
3.1 应用场景
在船舶沉没或航空器坠毁的情况下，ROV 可迅速投入现场进行搜索。其高清摄像头（一般为 1080p 或更高）和声呐传感器使其能够在低能见度的水域中进行有效侦查。例如，在水深达 300m 的环境中，ROV 能够通过声呐探测到沉没物体，并利用视频反馈确认位置。
3.2 实时监控与指挥
ROV 的操作中心一般配备实时监控系统，操作者可以通过高清显示屏实时查看 ROV 捕获的视频流，进行快速决策。数据传输延迟一般在 20 毫秒以内,确保了信息的及时性。例如,在一场海洋搜救行动中,ROV 通过传输实时影像,帮助指挥团队定位失踪人员和潜在的危险区域。
3.3 工具集成与任务执行
ROV 配备多种工具,如机械手臂和抓取装置,能够在搜救过程中进行实际操作。其机械手臂的负载能力一般为30kg,适合搬运小型物体和设备,通过精确控制,ROV 能够将救生筏或浮标投放到事故现场，提供救援物资。主控器结构示意图见图 3。
补偿器端口见图 4。
四、结束语
总之，通过对控制系统、动力系统及传感器技术的深入分析，明确了 ROV 在复杂水下环境中的作业能力与技术挑战。未来，随着新技术的不断涌现，ROV 有望在更广泛的应用场景中发挥自身优势，以此为海洋资源的可持续利用和深海探索提供支持。
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