一种海底缆线电磁探测系统及自主水下机器人装备
阅读说明：本技术 一种海底缆线电磁探测系统及自主水下机器人装备 (Submarine cable electromagnetic detection system and autonomous underwater robot equipment ) 是由 向先波 张嘉磊 向巩 张琴 杨少龙 徐国华 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于海洋工程与技术领域,涉及一种海底缆线电磁探测系统及自主水下机器人装备。该系统包括两套三轴电磁探测传感器、一套双输入/单输出水密采集主机、一套水下组合导航定位单元和一套磁探测节点控制器。两套三轴电磁探测传感器采集获取海底缆线探测信号并传给水密采集主机。水密采集主机用于接收两套三轴电磁探测传感器采集的原始电磁信号,并输出至磁探测节点控制器。水下组合导航定位单元用于提供机器人的实时位置、姿态、速度信息。磁探测节点控制器用于根据原始电磁信号和机器人位置进行海底线缆定位。本发明所提供的海底缆线电磁探测用自主水下机器人方案为通用设计方案,可为海底缆线电磁探测装备的总体设计和实施提供指导。(The invention belongs to the field of ocean engineering and technology, and relates to a submarine cable electromagnetic detection system and an autonomous underwater robot device. The system comprises two sets of three-axis electromagnetic detection sensors, a set of double-input/single-output watertight collection host, a set of underwater combined navigation positioning unit and a set of magnetic detection node controller. Two sets of three-axis electromagnetic detection sensors acquire submarine cable detection signals and transmit the submarine cable detection signals to the water density acquisition host. The watertight collection host is used for receiving original electromagnetic signals collected by the two sets of three-axis electromagnetic detection sensors and outputting the original electromagnetic signals to the magnetic detection node controller. The underwater combined navigation positioning unit is used for providing real-time position, attitude and speed information of the robot. And the magnetic detection node controller is used for positioning the submarine cable according to the original electromagnetic signal and the position of the robot. The autonomous underwater robot scheme for electromagnetic detection of submarine cables is a general design scheme, and can provide guidance for overall design and implementation of submarine cable electromagnetic detection equipment.)
技术领域
本发明属于海洋工程与技术领域，具体为水下航行器装备和海底缆线维护领域，涉及一种海底缆线电磁探测系统及自主水下机器人装备，更具体地，涉及一种用于海底缆线电磁探测的自主水下机器人装备。
背景技术
海底缆线主要包括海底电缆、海底光缆及海底光电复合缆。海底缆线系统规模巨大，总长度超过120万公里，平均每年故障次数达到250多次，每1000公里海缆的维修率基本在0.2次左右，因此海缆维护需求量巨大。早期的海缆探测作业依赖专业潜水员进行浅水域探测和深水饱和潜水作业，目前部分海缆探测工程案例中仍依赖潜水员进行潜水作业。依赖于潜水员进行海缆探测作业，一方面作业水深有限，另一方面长期潜水作业对潜水员具有较高的生理损伤。随着水下装备技术的发展和水下探测需求的增长，遥控水下机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用于水下探测工程实践中。现行的海底缆线探测绝大多数依赖于遥控水下机器人装备，通过脐带缆将探测信息实时上传到工程母船，并由专业技术人员进行上位机的遥控操作和海缆目标识别。依赖于遥控水下机器人的海缆探测方式虽然拓展了探测水深，但是一方面对人力资源消耗较大，另一方面对工程母船的依赖性较高。近年来，随着智能控制技术的发展，自主水下机器人得到广泛研究并被逐渐投入到水下探测领域。自主水下机器人的应用极大摆脱了水下探测作业过程对工程母船和专业技术人员的依赖。
海底缆线敷设于海床之下，经常因受到自然和人类活动的影响而出现断裂、损伤等故障。因此，需要借助水下航行器对海底缆线进行日常巡检，并更新其随海底地形地貌变化后的位置数据，可以为海缆的打捞维护提供指导依据。由于海缆系统规模巨大，利用遥控水下机器人难以进行一次性大范围海域探测，因此自主水下机器人是实现海底缆线高效探测跟踪的理想平台载体。海底缆线的尺寸相对较小，且敷设在海床之下，因此水下电磁探测技术是进行海底缆线跟踪探测的理想手段。水下电磁探测技术对自主水下机器人装备的构型、电磁兼容性等方面具有较高的要求，因此实现海底缆线电磁探测技术与自主水下机器人装备的整合仍是一项技术难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种海底缆线电磁探测系统及自主水下机器人装备，为海底缆线系统运行维护人员和装备研发人员提供了一套符合海洋工程实践、智能化程度较高的自主水下机器人装备总体设计方案，旨在基于所设计海底缆线探测用自主水下机器人，准确探测海底缆线辐射空间电磁场，并能对海底缆线实现自动跟踪探测。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种海底缆线电磁探测系统，用于搭载至机器人上进行海底缆线电磁探测，包括：1号三轴电磁探测传感器、2号三轴电磁探测传感器、水密采集主机、水下组合导航定位单元和磁探测节点控制器；
1号三轴电磁探测传感器、2号三轴电磁探测传感器对称布置于搭载装备两侧，且均与水密采集主机连接；1号、2号三轴电磁探测传感器的X/Y/Z三轴分别与机器人的坐标系的X/Y/Z三轴平行，且1号、2号三轴电磁探测传感器的X-Y平面与机器人附体坐标系的X-Y平面重合；
水密采集主机用于接收1号、2号三轴电磁探测传感器采集的原始电磁信号，并输出至磁探测节点控制器；
水下组合导航定位单元用于提供机器人的实时位置、姿态、速度信息，包括惯性导航模块、多普勒测速仪、高度计、深度计和北斗/GPS定位模块；惯性导航模块的X/Y/Z三轴与机器人的坐标系的X/Y/Z三轴分别对应；多普勒测速仪和高度计与机器人Z轴平行、垂直打底，且高度计安装于1号、2号三轴电磁探测传感器之间的中心点位置；深度计安装于机器人底部；北斗/GPS定位模块设于机器人内部；
水下组合导航定位单元中，机器人的经纬度从惯性导航模块所在位置换算到1号、2号三轴电磁探测传感器之间中心点的经纬度(Nmid，Emid)：
(Nmid，Emid)＝(NAUV+D cosθcosΨ，EAUV+D cosθsinΨ)
其中，D为惯性导航模块作用中心点与1号、2号三轴电磁探测传感器的中心点之间的水平距离，(NAUV，EAUV)为机器人的经纬度，1号、2号三轴电磁探测传感器与机器人的航向、横滚角和俯仰姿态角相同，均分别为Ψ、和θ；
磁探测节点控制器用于根据原始电磁信号解算海底缆线相对于机器人的位置，并结合机器人的实时位置计算出海底缆线的实际空间位置。
进一步地，还包括导航/电磁探测同步控制器，用于同步水密采集主机、惯性导航模块、高度计和深度计的数据输出，保持数据输出的时间一致性，从而保证数据处理及数据保存时所对应的时间戳是同步的。
进一步地，磁探测节点控制器还用于采集和接收各传感器或模块的反馈信号，进行原始信号的滤波、融合等预处理，以及对电磁探测信号进行时频变换、保存数据。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种用于海底缆线电磁探测的自主水下机器人装备，搭载了如前任一项所述的海底缆线电磁探测系统。
进一步地，包括首尾依次连接的艏段、非水密舱段、水密舱段、惯性导航舱段、能源电池舱段、艉段以及艉部推进器；
非水密舱段两侧对称设有一对艏部翼板，1号、2号三轴电磁探测传感器对称安装于所述一对艏部翼板上；水密采集主机本体为水密形式，水密采集主机、多普勒测速仪和高度计安装于非水密舱段内；水下组合导航定位单元设于惯性导航舱段内，深度计安装于惯性导航舱段的底部；北斗/GPS定位模块采用双天线形式，两个天线分别安装于水密舱段的艏部和艉部。
进一步地，艉部推进器数量为一个。
进一步地，将能源电池组安装于水密舱段的艉部，从而通过优化机器人艏部和艉部非水密舱段的长度比，以及配置非水密舱段传感器的安装位置，以保证机器人重心和浮心基本处于同一轴线。
进一步地，该机器人装备整体为低电磁辐射体，并在机器人总体层面进行电磁隔离设计，在系统及关键件层面进行电磁屏蔽设计。
进一步地，艏部翼板上的全部零部件采用非金属材料加工或选用非金属标准件；能源电池舱段内的能源电池采用锂电池组形式，电池组外侧从内向外包覆高磁导率的生铁和高电导率的黄铜，采用多层电磁屏蔽材料降低电池组低频电磁波向外辐射；推进器的驱动器位于水密舱体内部，驱动器本体外层从内向外包覆高磁导率的生铁和高电导率的黄铜；推进器的推进电机外层采用铁箔纸包覆，推进器本体外壳为水密金属壳体；水密舱段为金属舱段，采用铝合金材质，水密舱段内设置多层主动电磁屏蔽材料，水密舱段内壁进行金属镀层加工。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1.本发明所设计海底缆线电磁探测自主水下机器人装备，可替代工程实践中现行的遥控水下机器人进行大范围海域的海底缆线搜索、定位和跟踪，对工程母船、技术人员等保障条件的依赖性低、效率高、节能环保等。
2.本发明所设计海底缆线电磁探测系统及安装方式，提供了一套完整的海缆电磁探测系统设计和施工方案，不仅能够搭载于所设计自主水下机器人装备，且其简化后的系统(无水下组合导航系统)能够搭载于遥控水下机器人、混合式水下机器人等多种水下载体平台。
3.本发明针对海底缆线电磁探测用自主水下机器人装备，设计了加装艏部左/右舷对称流线形长翼板、搭载海底缆线电磁探测系统、具备电磁兼容性的自主水下机器人总体方案。本发明针对自主水下机器人的电磁兼容性设计包括能源舱段配置的优化、水密舱段的主动电磁屏蔽、能源电池和推进器的主动电磁屏蔽、电磁探测传感器长艏翼搭载方式、电磁探测传感器周围非铁磁零部件化设计，能够最大程度降低自主机器人本体产生的电磁辐射强度，最大程度减小对海底缆线辐射电磁场的干扰。
4.本发明所设计自主水下机器人驱动系统包括艉部单推进器和艏艉双升降舵、艉单方向舵，该种驱动方式能够减小机器人驱动系统产生的电磁辐射、同时提高机器人水平面航行稳定性和深度面航行机动性，符合机器人近底航行电磁探测的需求和海底缆线局部为直线的实际情况，即所设计机器人满足实际探测工况对机器人的垂直面高机动性和水平面高稳定性的要求。
附图说明
图1为本发明海底缆线电磁探测自主水下机器人装备总体外形；
图2为海缆探测自主水下机器人磁探测系统的通信拓扑图；
图3为机器人磁探测非水密舱段的三视图，其中(a)～(c)分别为主视图、侧视图、俯视图；
图4为艏部翼板与三轴电磁探测传感器的连接示意图，其中(a)为主视图，(b)为等轴测视图；
图5为三轴电磁探测传感器的安装及固定方式示意图；
图6为三轴电磁探测传感器的定位/安装支架示意图，其中(a)为主视图，(b)为等轴测视图；
图7为三轴电磁探测传感器的固定支架示意图；
图8为三轴电磁探测传感器的活动插装件示意图；
图9为自主水下机器人海底缆线电磁探测测试结果示意图，其中Ch1(mV)是海底缆线通电信号特征，Ch1(nT)～Ch6(nT)是两个三轴电磁探测传感器探测到的6个感应电磁信号特征。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-三轴电磁探测传感器，2、3-定位/安装支架，4-固定支架，5-活动插装件，6-长艏翼板，7-艏部操纵舵板，8-传感器三轴标识卡扣，9-安装卡口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，为本发明所设计海底缆线电磁探测用自主水下机器人总体模型。机器人采用单推进器+艉部十字舵+艏部升降舵的驱动控制形式。
本发明所设计两套三轴电磁探测传感器对称安装于机器人艏部的长形翼板外侧。每套三轴电磁探测传感器包含X、Y、Z三个彼此正交的轴，每个轴为一路独立的磁感应强度测量系统，可测量与该轴平行的磁感应强度，每套电磁探测传感器三轴联立可以空间向量形式测量某点处的磁感应强度。优选地，两套三轴电磁探测传感器型号相同，测量精度、量测噪声等技术指标相同。
机器人附体坐标系XAUV/YAUV/ZAUV、1号三轴电磁探测传感器坐标系XSEN,1/YSEN,1/ZSEN,1、2号三轴电磁探测传感器坐标系XSEN,2/YSEN,2/ZSEN,2三组三轴坐标分别对应平行，1号三轴电磁探测传感器的Y轴YSEN,1与2号三轴电磁探测传感器的Y轴YSEN,2保持同轴，1号三轴电磁探测传感器的XSEN,1-YSEN,1平面、2号三轴电磁探测传感器的XSEN,2-YSEN,2平面与机器人附体的XAUV-YAUV平面三者共面。惯性导航模块占据独立舱段，位于机器人的中部重心位置，且惯性导航模块所标识的X/Y/Z三轴与机器人的附体坐标系XAUV/YAUV/ZAUV三轴重合。两套电磁探测传感器对称安装于机器人两侧，通过所设计安装支架固定在长艏翼板的外端，两套电磁探测传感器作用中心点之间的距离为L(单位：m)。惯性导航模块作用中心点与两电磁探测传感器连线中心点之间的水平距离为D(单位：m)，机器人的经纬度为(NAUV，EAUV)、航向为Ψ(单位：度)、横滚和俯仰姿态角分别为(单位：度)和θ(单位：度)。则电磁探测传感器的航向、横滚和俯仰角也分别为Ψ、和θ。海缆定位的结果一般是相对于两个传感器连线的中心点位置，因此将机器人本体的经纬度换算到两传感器中心点的经纬度(Nmid，Emid)，即：
(Nmid，Emid)＝(NAUV+D cosθcosΨ，EAUV+D cosθsinΨ)
通过换算后的双三轴电磁探测传感器中心经纬度可直接定位海底缆线的经纬度坐标。
机器人水密舱段采用铝合金材质，舱段内外表面进行氧化处理，并在水密舱段的内部进行金属镀层加工。由于机器人水密舱内的用电设备和供电线路本身只辐射低频电磁场，异种金属镀层和金属外壳能够屏蔽绝大部分舱内辐射电磁波，机器人水密舱段间的密封圈缝隙、水密舱段本体上的微小开孔所产生的电磁泄漏可基本不计。
机器人能源电池采用锂电池组，能源电池舱段为水密舱段、位于机器人的艉部。能源电池组是机器人主要的电磁场辐射源之一，其艉段布置形式使其远离艏部的电磁探测传感器，减小对电磁探测传感器感应海底缆线辐射磁场过程的干扰。此外，能源电池组采用主动电磁屏蔽设计，在电池组外侧由内向外分别包覆多层高磁导率的生铁和高电导率的黄铜，分别用于增强对电池辐射电磁波的反射作用和增加涡流效应，尽量减少漏磁。
机器人推进器采用外置驱动器的形式，即不将驱动器安装到推进器水密壳体内部，而将推进电机的驱动器内置到机器人水密舱内部，并采用主动电磁屏蔽设计。利用多层高磁导率的生铁和高电导率的黄铜进行外层包覆，加之水密舱段的多层主动电磁屏蔽材料，因此对驱动器本身有较好的主动屏蔽效果。此外，推进电机的外层采用铁箔纸包覆，推进电机本体外壳为水密金属壳体，可以极大地防止磁漏。
如图2所示，为本发明海底缆线电磁探测自主水下机器人所搭载电磁探测系统的通信拓扑图。电磁探测系统组成包括2套同构的电磁探测传感器、一套水密采集主机、一套组合导航系统(包括惯性导航模块、多普勒计程仪、北斗/GPS、高度计和深度计)、一套导航/电磁探测同步控制器和一套磁探测节点控制器。其中，导航/电磁探测同步控制器、磁探测节点控制器、惯性导航模块安装于机器人水密舱段内部，北斗/GPS天线和深度计为水密舱体透舱安装，多普勒计程仪、高度计、电磁探测传感器和水密采集主机安装于艏部非水密舱段。
水密采集主机主要完成电磁探测传感器电磁信号的采集、信号放大及同步，为双输入单输出形式，双输入指两套电磁探测传感器的信号采集通过水密屏蔽缆的形式输入到采集主机，采集主机通过水密屏蔽缆的形式输出给机器人水密舱段，以供海缆定位解算。
如图3所示，水密采集主机的本体为水密形式，安装于长艏翼所在的非水密舱段，可以减小水密传输缆线的长度，并降低机器人密封舱内复杂用电设备、供电线路所辐射电磁场对采集主机电磁信号采集造成的干扰。
导航/电磁探测同步控制器用于同步水密采集主机、惯性导航系统、高度计和深度计多路设备的时间戳，保证采集数据的同步性，以提高海底缆线探测和定位的精度。具体地，导航/电磁探测同步控制器用于同步水密采集主机、惯性导航系统、高度计和深度计共四路设备/系统的数据输出，保持连接设备数据输出的时间一致性，保证各传感器设备的信号输出在供磁探测节点控制器进行数据处理及数据保存时所对应的时间戳是同步的，即保证各传感设备/系统的时间、空间一致性。海底缆线的准确定位依赖于水密采集主机、惯性导航系统、高度计和深度计四路彼此独立系统/设备的数据输出，而自主水下机器人需要在巡航过程中对海底缆线进行动态电磁探测和定位，若不对各系统/设备数据进行时间同步，则各系统/设备所反馈的采集数据对应时刻不一致，导致用于海底缆线定位解算的电磁信号、机器人绝对位置、高度、深度等信息不对应同一时刻和位置，降低了海底缆线电磁定位的准确性。因此，利用导航/电磁探测同步控制器可保证用于海底缆线空间定位解算的各设备/系统采集数据来自同一时刻，以提高海底缆线空间定位的准确性和精度。机器人在水面时通过接收GPS卫星或北斗卫星发送的无线电信号，获得时间信息并建立时间基准参考；当机器人下潜后，通过控制器内部的铷原子振荡器等计时系统提供高精度时间频率标准，并使控制器具备自守时能力。
磁探测节点控制器用于采集和接收各传感器或子系统的反馈信号，进行原始信号的滤波、融合等预处理，对电磁探测信号进行时频变化，保存数据，并用于运行海底缆线的定位算法。
如图3所示，为本发明海底缆线电磁探测自主水下机器人艏部非水密舱段的三视图。其中展示了水密采集主机、高度计、多普勒计程仪、电磁探测传感器在舱段上的相对安装位置。其中高度计安装于两电磁探测传感器作用中心O1、O2的中点位置。利用双三轴电磁探测传感器探测到的海缆位置即是相对于该中点的相对位置，因此高度计的安装位置能够探测到该相同点位距离海床表面的垂直距离，从而能够确定海底缆线的埋设/悬浮/海床裸漏状态。
图4展示了本发明中海底缆线电磁探测自主水下机器人的长艏翼结构设计。其中，三轴电磁探测传感器及其安装支架的总装效果如图5所示。总装后活动插装件5可在三轴电磁探测传感器1和固定支架4之间进行伸缩，与长艏翼板6总装时，活动插装件5从固定支架4的孔位中抽出通过插装方式与长艏翼板6上的对应孔位进行配合。如图5、6所示，两个定位/安装支架2、3结构相同，通过定位/安装支架3上的安装卡口与三轴电磁探测传感器1头部的三轴标识卡扣进行配合，从而保证两个三轴电磁传感器的Y轴同轴、两X-Y平面与机器人附体坐标下的X-Y面重合。固定支架4的结构设计如图7所示，活动插装件5的结构设计如图8所示。图4所示的所有零部件采用高强度树脂材料加工，实现了电磁探测传感器远离机器人电磁辐射源且周围无铁磁性零部件。
优选地，本发明在机器人外形、舱段、驱动等总体层面进行了“电磁隔离”设计，在电池组、推进器、传感器搭载装置等系统及关键件层面进行了“电磁屏蔽”设计，具体地：
驱动形式：机器人采用单个艉部推进器的形式，满足机器人低速探测巡航的推力需求，减小了多个推进器产生的电磁辐射；
舱段配置：常规设计是将电池组安装在机器人中部重心位置。由于能源电池组是机器人最大的电磁辐射源，本发明设计将能源电池组安装到机器人水密舱段的艉部，合理优化机器人艏部和艉部非水密舱段的长度比，并合理配置非水密舱段传感器的安装位置，以保证机器人重心和浮心基本处于同一轴线；
水密舱段的电磁屏蔽：金属舱段采用铝合金材质，水密舱段内壁进行金属镀层加工，由于机器人内部的电磁辐射场多为低频磁场，因此，水密舱段间的密封圈缝隙、水密舱段上的微小开孔等对电磁泄漏的影响较小；
艏部长艏翼板搭载方式：利用电磁信号在水中衰减迅速的特性，设计采用长艏部翼板的电磁探测传感器搭载方式，使得电磁探测传感器在空间位置上尽量远离能源电池舱段、推进器等主要电磁辐射源头；
传感器搭载支架的设计：电磁探测传感器搭载、安装支架、长艏翼板、艏部操纵舵板、舵轴、轴承、翼板加强筋等长艏翼上的全部零部件采用非金属材料加工或选用非金属标准件，以降低电磁探测传感器附近金属件产生二次磁场对海缆辐射电磁场的干扰；
电池主动电磁屏蔽：机器人能源电池采用锂电池组形式，电池组外侧从内向外包覆高磁导率的生铁和高电导率的黄铜，采用多层电磁屏蔽材料降低电池组低频电磁波向外辐射；
推进器主动电磁屏蔽：推进器的主要电磁辐射源为驱动器，驱动器本身采用外置形式，即推进电机的驱动器位于水密舱体内部，驱动器本体外层从内向外包覆高磁导率的生铁和高电导率的黄铜，加之水密舱段的多层主动电磁屏蔽材料，因此对驱动器本身有较好的主动屏蔽效果；此外，推进电机的外层采用铁箔纸包覆，推进器本体外壳为水密金属壳体，可有效减小电磁泄漏。
如图9所示，为本发明优选实施例的自主水下机器人进行海底缆线电磁探测试验的测试结果，Ch1(mV)为海底缆线通电的电磁信号特征，Ch1(nT)～Ch6(nT)为双三轴电磁探测传感器所探测到的6个电磁信号特征。试验过程所用海底缆线直径约1.8cm，埋设在水底约3m，自主水下机器人距离海底缆线约20m。可以发现，每个电磁探测传感器的每个探测轴均准确地探测到海底缆线所辐射的30Hz电磁信号特征。因此，本发明所研制的自主水下机器人装备能够准确探测到直径≤4cm、埋设深度≥2m的海底缆线，能够满足实际海底缆线系统的探测需求。
本实施方式仅提供了一种优化的海底缆线电磁探测自主水下机器人总体装备的优选实施例，在其他实施例中，开发人员可在此基础上进行改进或简化，如机器人外形可以采用不同的外形型线、艏部长翼板可简化为长圆柱杆等结构、根据不同的传感器结构设计不同的安装定位支架等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。