基于水下机器人的海洋环境监测应用探索

高茜 王翔

（上海颖川佳固信息工程股份有限公司，上海201104）

1 概述

海洋环境监测可以实现对海洋水质环境的监测，这对海洋环境破坏的及时发现和及早处理具有重要的意义。目前我们广泛关注的海洋环境监测方法包括现场采样，专业监测船或现场监测浮标。这些方法的缺点是劳动量大，效率低，成本高，效果不好。因此，我们需要根据水下情况开发一套能够实时监测环境的系统，这对于海洋环境保护和监测应用具有重要的研究价值。

2 项目背景

随着科技水平的不断进步，水下机器人的ROV 越来越接近我们的工作和生活。水下机器人必须具有工业机器人的所有特性，并且还必须具有良好的密封性和耐腐蚀性。通过应用，人类可以开发更多的水下资源，例如海洋能源，陆地河流，湖泊资源等，并且水下机器人ROV 可以配备各种操纵器，水下工具等，以进行水下操作。它已广泛应用于海洋工程，海洋军事和水下工程的各个领域。本文重点介绍水下机器人在海洋环境监测中的应用。

目前，水下机器人的ROV 装备了先进的导航、定位、推进和控制设备，能够准确到达预定位置。最重要的是，它可以达到潜水员无法达到的深度，从而改变潜水员在水下的位置。只要操作人员在水面上作业，危险环境不会危及人身安全。通过水下机器人的遥控操作，可以实现全方位的扫描探测，关键部位可以“停车”观测，不仅可以快速探测到水文环境的整体情况，而且可以谨慎操作。查看本地详细信息。遥控潜水器上的水下摄像机探测海床表面的状态。ROV 载具携带上述监测检测仪器，包括pH 值、溶解氧和水矿化度监测传感器，温度监测传感器与水温分离叶绿素浓度传感器等。

3 机器人解决方案

海洋环境监测水下机器人是一种智能水下监测设备。目前，国内外专家学者根据机器人的智能化程度和使用需求，将水下机器人分为四类，他们分别是：拖曳式水下机器人、遥控式水下机器人、自主式水下机器人）和载人机器人。TUV 和ROV 在母船上通过电缆手动连接和控制；AUV 又称无缆水下机器人或自主水下机器人，智能控制自主导航；HOV 又称载人潜水器，由水下作业人员控制。这些是现代海洋环境监测的标志性高科技装备，并且与卫星遥感、锚浮标和潜艇观测相结合，共同组成空天海立体监测系统。随着相关产业的快速发展，水下机器人技术也得到长足进步，机器人的市场种类繁多。水下机器人主要由机器人主机、控制通信、脐带缆和控制平台组成。其中，主机是一个具有水下高清摄像机、二维多波束图像声纳传感器等检测传感器的水下运动平台。水下机器人的主要结构包括主机架、水平推进器、垂直推进器、浮力材料、主舱、缀板、高度计声纳、高清摄像机、组合陀螺、水声应答器、水质酸度计、盐度计等。水下机器人的关键应用过程如下：

3.1 水下机器人平台主要由一些声纳设备组成，包括超声声纳、成像声纳、水下拍摄、电视摄像机等。声纳设备的基本原理是利用水下声波进行探测、定位和通信，声纳通过远程测量产生和脉冲之间的时间差，经过自主研发的测量算法，可以准确地定位水中的物体位置。

3.2 水下机器人控制系统的功能是通过传感器感知外部信息，对外部信息进行分析、判断和处理，通过输出接口发出控制命令，协调各子系统的工作，使整个机器人按照预期的特性工作。水下机器人海洋监测平台采用分布式控制系统，由水上和水下两个节点组成。水上的节点使用Intel x86 或其兼容的CPU体系结构在其上运行windows x time 操作系统。

3.3 控制系统软件设计：在windows 环境下，在上位机上使用功能强大的Visual C++6.0 编程工具，开发高效的人机操作程序。为了便于调试和程序修改，控制软件采用模块化设计，包括主程序、中断服务程序、显示子程序、滤波程序、推力分配子程序、显示子程序、运动控制算法子程序等。

3.4 定位系统：由DVL、高度计声纳、测距声纳、深度计、罗盘等定位传感器组成的定位系统，能提供大坝探测机器人运动控制所需的位置信息（包括速度、高度、大坝距离、淹没深度、航向角等）。sontek 公司Argonautdvl 测速仪：水下跟踪方式跟踪距离为600 米，测量范围为6 米/秒，水下跟踪精度小于测量速度的0.2%，分辨率（测量阈值）为0.1 厘米/秒；KVH 磁罗盘：精度±0.5%，重复性±0.2。，分辨率±0.1°，俯仰/ 滚转测量范围为gpan±16。固定高度声纳：最大测量深度为200m，最小测量深度约8m，工作频率为150kHz，测量精度土壤约2.4%；深度果汁：最大测量深度为200m，测量精度土壤约0.1M。

通过在水下机器人上搭载各种传感器，可以吸取各种监测方法的优点。它不仅可以像测量船一样巡航、观察，而且可以进入测量船和潜水员不能进入的海域。它的运行成本和效率都远高于拖体。是对海洋环境监测系统的有益补充和完善。

4 监测技术研究

海洋环境监测项目既包括风向、气温、气压、温度、光照、降雨量、水位、流速、流向、风速等常规参数，还包括叶绿素、蓝藻、氨氮、高锰酸盐指数、全氮指标、磷酸盐、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、硅酸盐、重金属等多个参数。

目前，海洋环境监测方法有两种途径：一种是现场测量，即现场利用传感器取样，直接测量水质参数；还有一种方法，也是很有用的方法就是“小型实验室”，该方法是将复杂的采样分析过程更为简易化，解决了目前陆地实验室内的分析方法向水下转移的问题，并且研制了一种类似于水下小实验室的特殊仪器，也就是海水被泵入仪器进行测量。

利用水下机器人海洋环境监测系统，可以结合二者的优点，其内容包括数据采集、数据智能分析、大数据传输、大数据中心云平台和智慧电源；数据采集主要用于采集影响海洋环境的各种传感器参数，数据智能分析与数据采集相连，对采集到的大数据进行及时处理，并根据处理后的大数据对海洋环境进行状况评价，同时通过数据传输将分析结果传输到云平台。云平台将接收到的数据进行存储，并向数据分析处理模块发送设备控制信号，从而可以及时改变水下机器人的活动状态，同时保证整个水下机器人系统的稳定供电。

基于水下机器人的海洋环境监测系统的结构简单、灵活、方便。通过各系统模块的相互配合，从而实现对海洋环境的智能监测，并将监测分析结果传送到系统大数据中心，通过以上所有流程保证海洋环境状况的及时检测和早期处理。

结束语

近年来，随着国民经济的快速发展，越来越多的污染物排放到海洋中，使我国海洋环境污染日趋严重。各类恶性海洋环境污染事故频发，生态环境日益失衡。海洋环境监测技术的发展，将为促进海洋资源管理、环境保护、突发灾害监测、海洋生产生活、各种军事等活动提供更好的信息平台和预警装备，为我国水域经济的振兴和海洋国土的合理开发提供有力保障。

海洋环境监测在控制环境污染、保护海洋环境方面具有十分重要的作用。海洋环境监测是现代海洋社会发展的必然产物，这不仅与海洋经济发展有关，而且与海洋环境高质量甲亢发展息息相关。海洋环境监测技术的优势有很多，比如具有高效性、实时性、连续性等等。这不仅对于海洋保护的经济成本有正相关作用，也对海洋环境保护起着十分重要的作用。随着计算机技术和自动化技术的发展，一种能够携带多种监测仪器和工具的水下机器人应运而生。与潜水员水下作业相比，ROV 水下作业具有作业范围广、劳动强度高、安全可靠等优点。因此，水下机器人在海洋环境监测中发挥着越来越重要的作用。