一种采用多融合巡检技术的海上风电水下探测机器人

陈祥兰 梁浩杨

摘要：针对海上风电水下探测的技术需求，设计了一种采用多种探测扫测巡检技术相融合的水下探测机器人，在进行海上风电场风机水下设施探测检修时，可在3级海况条件下，多角度呈现精确探查风机桩基海缆入泥角的水下状况，为海上风电安全运维工作提供决策依据。

关键词：海上风电；水下机器人；精准悬浮；远程供电

中图分类号：TP242.3文献标志码：A文章编号：1009-9492 （ 2022 ） S1-0009-04

Offshore Wind Underwater Detection Robot Precise Levitation Control Technology

Chen Xianglan，Liang Haoyang

（Guangdong Jingyi Equipment Technology Co.， Ltd.， Dongguan 523808， China）

Abstract： In view of the technical requirements for underwater detection of offshore wind power， an underwater detection robot was designed that integrated multiple detection， scanning， inspection and patrol technologies. When conducting detection and maintenance of underwater facilities of offshore wind farm wind turbines， it can accurately detect the underwater condition of submarine cable entering the mud corner of wind turbine pile foundation from multiple angles under the level 3 sea conditions， providing decision-making basis for safe operation and maintenance of offshore wind power.

Key words： offshore wind； Underwater robot； Precise levitation； Remote power supply

0引言

隨着海洋资源不断开发，海上风电的发展，海上风电运维水下机器人已成为开发海洋的重要工具。我国水下机器人产业化近几年有加快发展趋势，在海上风电智能运维领域走出国门，进军国际海风市场，但纵观全球，美国与日本水下机器人技术与产业化水平远高于我国，随着水下机器人能源供给、精准定位导航、高强轻质材料等技术都取得了重大突破，水下机器人领域市场需求增加，美日两国具有一定竞争优势。目前，海上风电和海洋牧场养殖等领域对水下机器人需求激增，突破水下机器人“卡脖子”难题刻不容缓，海上风电投入运行迫切需要智能水下机器人进行智能检维修工作，包括基础冲刷检测扫测、冲刷修复、倾斜检测、基础防腐修复、海缆检测等。在发展智慧海洋的战略助推下，我国对水下机器人的需求仍将扩大，预计至2025年还有2～3倍的增长空间，市场潜力正在不断释放，未来前景广阔。

为此，本文开发一款采用多融合巡检技术的海上风电水下机器人，能够有效降低作业风险，提高海上风电作业效率。

1水下机器人方案设计

海上风电水下探测机器人机体小、运动灵活，适应复杂的海风场水下环境，采用内腔开架式结构，内部搭载多波束扫测系统、超短基线水下定位导航系统、二维成像声呐系统、照明光学和摄像拍照系统等。

海上风电水下探测运维机器人由岸基电源系统、水下电源系统、水下机器人控制系统、水下定位导航系统、水下摄像照明系统、海上风电水下探测机器人控制器、零浮力供电通讯线缆等部分组成。

海上风电水下探测机器人系统电气框图如图1所示。

2海上风电熟悉探测机器人精准悬浮控制系统设计

为了能更好适应3级海况，海上风电水下探测机器人配置8个矢量推进器，水平方向4个推进器，垂直方向4个推进器。

设计控制系统软件，自动控制机器人水平和垂直方向矢量推进器正反转和速度来实现机器人在左右平移、上浮和下潜。矢量推进器自动控制软件系统内设计有自动驾驶功能，采用“模糊控制器”算法。利用模糊控制器实现机器人平台绝对速度和航向角的闭环控制，速度和航向角通过岸基控制台操纵杆信号融合机器人控制系统扩展卡尔曼滤波算法后给定，以400 Hz的频率与机器人传感器系统测得的速度与方向角进行比较，经模糊控制系统算法将目标速度值与方向角值转换为机器人平台矢量推进器控制量，输出给推进器转速，最终通过水流反作用力转化为机器人潜行速度和潜行方向角，依靠矢量推进器输出推力实现机器人在水下的姿态调整，从而实现机器人平台的自主控制。

控制系统实时监测机器人平台上各功能模块的实时工况，控制系统内设计有自动断路保护、绝缘告警、进水报警、过温告警和过流告警等保护措施，自动对机器人平台进行故障保护。避免因为机器人对抗浪流或海底剐蹭造成的运动机构失效甚至倾覆的风险。水下推进器的测试参数如表1所示。

3水下机器人视觉识别算法设计

通过水下光学成像原理，从改良的图像预处理方法入手，针对海上风电水下区域的实际工况、水下图像对比度低、灰度集中、水对光的选择性吸收等特点，根据采集的大量水下视频数据集，对图像中的水下设施进行标定，并采用R-CNN网络模型对数据集进行全像素特征采集，获得语义分割的监测模型，通过模型对实际水下环境进行巡检，自动识别区域内的水下设施。

通过对底声呐和二维多波束声呐获取的对底距离和场景位置信息，对海上风电风机桩基、海缆、入泥角等水下检测与成像系统的模型进行构造，并以此为基础推导出水底平面坐标系关系，获取海上风电桩基和海缆关键设备的位置，将该估计值作为目标位置的估算，提高系统稳定性。通过进一步融合机器人上的水下定位位置信息，获取水下目标位置坐标信息，实现对海上风电水下设施海缆的水下位置监测。

4水下高清摄像头及辅助灯光照明系统设计

针对水下光学成像中水体对部分光谱吸收强的特点，设计水下高清摄像头，使用超低感光强度的CMOS感光芯片作为光电转换器，输出彩色图像下为0.001Lux@F1.2，输出黑白图像下为0.0001Lux@F1.2。采用绿光频段透过率高的滤光片作为感光自动切换，提高在水下环境中的图像清晰度。水下光学摄像机在室内游泳池清水环境中测试的可视距离超过3 m。图像处理芯片为国产华为海思处理器，实现1080P彩色高清图像的实时传输，传输带宽为100 Mbit/s。

针对海上风电水下作业需求，使用双线四线步进微型马达控制镜头进行变倍、变焦，变倍数为5倍，实现机器人对水下目标的清晰监测。

使用金属微型减速器与非接触磁感位置传感器控制摄像头模组的俯仰，角度范围为90°，实现机器人对水下目标监测时必要的角度与距离调整。

机器人设计搭载2个LED灯，经试验，使用2 700～3 000 K的色温的LED灯珠作为辅助灯光照明光源时水下图像的色彩还原效果、背景细节的分辨率最佳。单个照明强度为3 000流明，使用恒流驱动，通过PWM控制灯光强度。由控制系统对每个照明灯进行单独控制。根据海上风电实际工作环境下的水质条件，灯光强度可线性调节从0～100%。

5海上风电水下探测机器人定位技术开发

海上风电水下机器人在进行水下探测扫描时，遥控操作员需要通过岸基监控控制系统进行操控机器人工作，为提高平台自身的安全和控制方法的有效性，水下机器人搭载超短基线信标，母船上安装超短基线阵。在水下机器人自规划路径巡检中，机器人自身可获取实时位置信息保障安全的工作距离和有效的工作范围，避免水下探测机器人误入风机桩基导管架内部无法正常返回。

6海上风电水下探测机器人安全保护机制

海上风电水下探测机器人平台从机械防御、硬件冗余、控制保护、软件纠错、冗余声呐等实现安全保护机制。

（1）机械防水设计。海上风电水下探测机器人控制系统电子模块、水下电源系统、超亮LED灯等均安装在合金材料的密封舱容器中。电源系统包裹在合金外壳之内。合金外壳密度较大，可抵御400 m水深压力，屏蔽外界电磁干扰，也防止内部电磁信号发射出去对其他模块的电子系统造成干扰。主要框架均采用金属制造，具有较大承载能力和抗冲击能力。

（2）硬件冗余设计。海上风电水下探测机器人在硬件电路的设计过程中，针对易损坏的电路模块采用多通道冗余设计，当某一通道故障后，其他通道能够代替故障通道，使硬件系统仍能正常工作。

（3）控制保护设计。海上风电水下探测机器人所有电路模块均设计了完善的过电压、欠电压、过电流、短路保护和过温保护。水下机器人精准悬浮控制机构、测距装置、摄像装置等多个相对独立的功能块均通过工业CAN总线的方式连接到中央控制系统中。各模块之间完全用電隔离。任一模块电气故障，都不会影响系统中其他模块，保障系统稳定可靠工作。

（4）测距装置采用多重手段，除了对底测距声呐，还有超短基线定位、前视二维声呐测距和水深传感器测深3种手段测量，实时获知水下机器人对母船以及对底的距离、水下机器人相对母船位置，当视声呐距离小于安全距离时，控制系统主动停止该方向上的移动，避免发生碰撞，各个方向的测量数据实时反馈到岸基控制系统中，实时了解机器人位置状况，适时进行人工控制。

7现场探测

海上风电水下探测机器人进行海上风电桩基海缆入泥角抵近观察探测、35 kV集电海缆探测，根据海风场提供的风机建设定位和海缆路由数据，规划测线，规划海上风电水下探测机器人探测导航路径，保障按照预定航行路径行走，完成水下探测扫测工作。图2是海上风电水下机器人进行海上风电桩基二维扫测和侧扫图。图3是海上风电水下机器人进行海上风电桩35 kV集电海缆缠绕渔网的二维扫测图和摄像头抵近观察图，海缆限弯器图。图4是海上风电水下机器人进行海上风电桩牺牲阳江二维扫测图和抵近拍摄图。

8结束语

海上风电水下探测机器人机体小、运动灵活，在满足3级海况条件下，适应复杂的海风场水下工作环境，采用二维多波束扫测、对底声呐测距、水深传感器测深、摄像头抵近拍照、超短基线水下定位和侧扫相结合的多种手段相结合的方法，获得海上风电风机桩基、海缆、入泥角和牺牲阳极及海生物生长状况的扫测探测和拍摄方法，这数种探测技术融合使用，最低成本化地、高效精准地获得海风场风机水下设施情况，为海上风电安全运维工作提供决策依据。

参考文献：

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[3]王海南，王礼恒，周志成，等.新兴产业发展战略研究（2035）[J].中国工程科学，2020，22（02）.

第一作者简介：陈祥兰（1973-），女，硕士，工程师，研究领域为水下机器人电气系统、水下机器人多波束测深系统、水下机器人浅剖仪测深系统、水下清理探测机器人研发工作。

（编辑：刁少华）