[发明专利]用于海底电缆巡检的水下机器人控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于海底电缆巡检的水下机器人控制系统及方法。其中，该控制系统包括：远程控制部，其位于水面以上且负责向水下机器人下达作业任务；任务控制部，其与动力推进部相连；所述任务控制部被配置为接收远程控制部下达的作业任务，并对作业任务进行路径规划以控制动力推进部实施相应动作，实现水下机器人多自由度航行；同时还对航行参数进行实时调整，保证水下机器人顺利完成给定的作业任务。

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，尤其涉及一种用于海底电缆巡检的水下机器人控制系统及方法。

背景技术

海底电缆敷设是世界公认极具难度的大型工程，投资规模大、施工难度高、敷设距离长。目前，海缆敷设多采用海底埋设方式，这是保护海缆安全最经济、最有效的方法。但投入运行后的海底电缆仍然需要进行定期巡检，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(如海底浅层地质变化、海洋沉积物覆盖等)。如遇到作业船只锚体或渔网拉扯导致缆体断裂等事故，虽然海底电缆远距离监测系统可能检测出故障原因且能提供大致故障位置，但不能对故障位置进行精确定位(断裂处可能发生移位)，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均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，也不适用于深海作业。

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运维巡检及故障探测成为了可能。无人水下机器人(UUV，UnmannedUnderwater 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，Remote Operated Vehicle)和自主水下机器人(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航行，但其受到脐带电缆限制，通常作业范围有限且航行灵活度差，易受海洋船只活动影响，还可能发生电缆缠绕、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、信息感知等功能，其作业范围和领域比ROV更远、更广，可在远洋深海持续自主作业。因此，AUV更适合被用于海底电缆巡检作业。

由于需要执行远距离海底电缆巡检，目前尚没有既可穿透水体又可远距离数据传输的通讯方式和通讯设备，因此，AUV需要依靠自身控制系统的自主导航及作业规划能力在未知的海洋环境中完成巡检作业任务。由此可见，智能化控制体系的建立是AUV成功实现海底电缆巡检作业任务的前提保障。

然而，受到计算机处理能力限制和模块化设计要求，目前多数水下机器人的控制系统采用的是将任务控制器和航行控制器分开设计，也就是在硬件上分成了两个部分。其中，航行控制器只负责对机器人的水中航行进行实时状态控制(某些赋予导航定位功能)。但这样的设计需要从硬件设计上解决两个控制器间的通讯问题，占用了宝贵的信息传输通道，增加了水下机器人的载荷负担，也阻碍了软件设计上智能化体系的实现，降低了水下机器人的自主作业能力，限制了其在巡检作业中的应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种用于海底电缆巡检的水下机器人控制系统，其以自主水下机器人(AUV)作为研究对象，以远距离海底电缆路由运维巡检为作业使命，提高了水下机器人的自主作业能力，使其满足海底电缆运维作业的要求。

本发明的一种用于海底电缆巡检的水下机器人控制系统，包括：

远程控制部，其位于水面以上且负责向水下机器人下达作业任务；及