杨元侃
上海电气风电集团股份有限公司
摘要： 海上风电设备在安装施工和后期运维环节中，需要对水面以下的部件以及其工作环境进行定期的检测，目前采用潜水员进行人工检测的实施成本与人员安全风险都比较高；采用水下机器人对水面以下部件的检测已经成为行业趋势。本文针对海上风场水下桩基腐蚀与冲刷情况日益凸显的现状，研究了在海上风电水下检测方面的小微型ROV设计与应用。通过聚焦水下检测目标应用范围，定制化的ROV设计，以及用多推进器耦合控制的方式来实现水下检测机器人的控制系统，在实验室环境和海上风电场都进行了应用测试。海上风电水下检测机器人在海上风电后运维市场具有广泛的应用前景。
关键词：海上风电 水下机器人 ROV 桩基检测 腐蚀与冲刷
1. 引言
随着近年来我国海上风电市场的快速发展，海上风电机组进一步趋向大型化，离岸距离和水下桩基深度也随之不断增加。
海上风电设备在安装施工和后期运维的环节中，需要对水面以下的组件以及其工作环境进行定期的检测。目前采用潜水员进行人工检测的实施成本与人员安全风险都比较高，采用水下机器人进行对水面以下部件的检测已经成为行业趋势。
海上机组数量不断增加，海上风场水下基础和海缆等问题不断出现，水下检测机器人是一种经济可靠且方便的维护工具，有利于海上风场及时掌握水下基础与海缆实际状况，避免因其损坏造成更大经济损失。
国外海上风电比较的先进的国家（如英国）已经开始在风电施工与运维中引入水下检测机器人ROV。ROV系统由潜水器本体、电缆、操作系统、吊放系统以及相应动力供给系统组成[1]。 使用水下检测机器人能有效的降低施工人员的安全风险，以及降低风电设备安装与运维的成本。
目前国内还鲜有针对海上风电应用定制的水下机器人产品。进口产品价格昂贵，缺乏本地技术支持条件。与国内的企业技术团队合作，研究水下检测机器人对推动海上风电的发展具有重要的战略意义。
2. 水下巡检方式对比
相比于深海大型潜水器，浅海小型ＲＯＶ具有体积小、重量轻、使用灵活、价格经济等优点；目前广泛应用于海洋环境观测、海底管道探测、水下目标探测、海洋工程监测和水下考古等方面[2]。
水下检测机器人可以携带各种检测传感器。例如，超广角水下高清摄像机、多波束声呐等。水下检测机器人在海上风电的应用可以弥补传统巡检方式的不足，具有以下优势：
（1）安全
海上风电水下基础巡检时只需要专业人员操作水下检测机器人设备到达所需位置，彻底避免了潜水作业人员发生水下作业意外等安全隐患。
（2）可靠
水下检测机器人搭载的高清成像和声呐采集设备可获得海上风电水下基础各角度的高清画面和声呐图像，保证了图像数据的可靠性，同时这些图像将通过软件平台汇总到技术专家面前，由专家进行判断和分析，使海上风电水下基础缺陷的诊断更加可靠。
（3）高效
传统人工检查在作业时间窗口和检查范围上受限，且耗时长、成本高；而水下检测机器人使用便捷，作业时间灵活，成本低、效率高。
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图1 水下检测方式对比
3.目标应用范围
通过与国内水下机器人企业合作开发的方式，设计实现了一台水下检测机器人样机产品。产品适用于海上风电的工作环境，在有可见度的水域情况下，能够完成对海上风电水下部件及环境进行视觉观测的任务。
为了适应海上风电不同的水域环境，水下检测机器人需要具有实时的多自由度的运动操控能力。水下检测机器人需支持实时视频和照片的拍摄与传输，密封耐压水平需满足不同海上风电现场的水深要求。
此次样机主要目标应用范围包含：
（1）海上风电水下桩基腐蚀的检测
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图2 海上风电水下桩基腐蚀检测示意图
（2）海上风电水下基础冲刷的检测
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图3 海上风电水下桩基冲刷检测示意图
4.检测机器人ROV设计
ROV的选型与配置必须从实际应用出发，充分考虑作业区域的水文气象特点与执行任务的基本属性，合理确定硬件配置、电气动力系统和相应的传感器配件选型[3]。
4.1 硬件设计
将硬件系统定义为水下检测机器人，包括本体（含框架、推进器、浮体材料、摄像头、密封舱、扩展支架等）、脐带缆、操作手柄等。水下检测机器人设计约束条件：水下观测效果受海水清澈度的影响；工作稳定性收到海水潮汐风浪的影响。
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4.2 电气设计
水下检测机器人主体与通信中继之间采用电力线载波接口进行宽带数据传输。通信中继与遥控器之间采用WIFI无线宽带传输。传输带宽设定满足1080P高清视频传输需求。供电系统采用UPS供电模式隔离市电，降低因供电不稳造成ROV水下“死机”现象[4]。
（1）电源路径设计
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4.3 控制系统
传统水下检测机器人对推进器的异常处理基本只有停机处理。对其良好的操作方法和运动控制是水下检测机器人顺利完成任务的重要前提和保障。然而，由于水下检测机器人在水中运动过程中，复杂多变的水域环境很可能会使水下检测机器人的某一个推进器处于非正常工作状态。
传统水下检测机器人的多自由度姿态控制多采用多推进器解耦控制的方式来实现，如果某一个推进器出现异常工作，水下检测机器人姿态控制将会很差，甚至出现失控的情况。鉴于传统水下检测机器人存在的不足，本文提供一种水下检测机器人多推进器耦合控制方法及系统，可以使水下检测机器人在某一个或者多个推进器出现异常的情况下正常工作。
如图8所示，水下检测机器人多推进器耦合控制方法包括以下步骤：
S1：检测推进器状态并获得正常工作的推进器信息；
S2：通过姿态传感器获得水下检测机器人的姿态数据；
S3：通过耦合控制模块结合姿态数据和正常工作的推进器信息计算出水下检测机器人自稳状态的控制输出；
S4：将控制输出发送给推进器执行；
S5：将推进器的执行结果实时反馈给耦合控制模块。
水下检测机器人多推进器耦合控制系统包括：硬件检测模块、姿态传感器模块、耦合控制模块、推进器系统；其中，所述硬件检测模块包括电流检测模块和推进器转速检测模块，所述姿态传感器模块包括电子罗盘、加速度计和陀螺仪，所述耦合控制模块包括非线性PID控制器模块、推进器位置映射模块和动静坐标系转换模块。
姿态传感器包括电子罗盘、加速度计、陀螺仪。姿态传感器输出值为电子罗盘、加速度计、陀螺仪原始数据通过传感器融合算法融合后的值。姿态传感器三维角度输出值分别为：航向角、俯仰角、横滚角；三维角速度输出值分别为：航向角速度、俯仰角速度、横滚角速度。姿态传感器安装位置为X轴方向，并指向水下检测机器人的前进方向。
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图8 水下机器人多推进器耦合控制方法
水下检测机器人多推进器耦合控制方法实施的优点：可以使水下检测机器人在某一个或者多个推进器出现异常的情况下正常工作，大大的提高了水下检测机器人的可靠性和安全性。
4. 样机测试
测试要求：水下机器人耐压深度需满足所有海上风电现场的水下观测下潜深度要求；实时的水下观测视频传输与拍照功能；水深实时测量与显示；机器温湿度实时检测显示；全自由度（上，下，正左，正右，正前，正后，45度左右前后）的运动实时操控能力；
4.1 实验环境测试
表1 水下检测机器人样机实验环境测试记录表
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4.2 海上风电项目水下实测
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5. 应用展望
本文主要针对海上风力发电项目的运维过程中水下桩基腐蚀和冲刷检测两个方面进行ROV的设计及应用研究。
在水下检测机器人加装多波束声呐后，可实现对海缆情况的检测。主要可应用在施工过程中的海缆和桩基冲刷防护检测方面：对海缆施工准备中的海底电缆的路由扫测，施工过程中的海缆沟及海缆埋深等监测，海缆首次施工后及施工1年后海缆埋深等监测；桩基安装施工前对海底地形地貌的扫测，施工过程中检测，首次施工后和施工1年后冲刷防护的检测等。
海上机组数量不断增加，海上风场海缆问题不断出现，水下检测机器人是一种经济可靠且方便的维护工具，有利于海上风场及时掌握海缆与桩基实际状况，避免海缆与桩基损坏造成更大的经济损失。
水下检测机器人ROV上搭载检测传感器设备的优劣势对比分析如下：
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水下检测机器人ROV在海上风电中可能应用的场景包括：
水下视觉检查：包括冲刷深度监控、J型管喇叭口海缆情况、海生物附着情况、防冲刷保护措施的有效性等；
导管架安装环节：辅助导管架就位、引导插桩、支持灌浆作业、完成水下切割、水下焊接等作业；
海底电缆铺设和维护：ROV可携带水下测量设备调查海缆路由的位置、掩埋海缆、后期海缆检修等作业。
当前水下检测机器人ROV在海上风电应用中遇到的挑战是，国内海况较欧洲复杂，特别是黄海海域海况复杂，对产品技术性能和人员经验要求都较高，但同时也是机遇，成功推广应用后将会在很大程度上能与欧洲先进产品比拼。
随着风电后市场的兴起与发展，海上风电水下检测也将作为后市场运维中的一个重要组成部分，除了看得见的经济效益，还对运维厂家开拓新的运维业务，提升在海上风电服务领域的影响力具有积极作用。
6. 参考
[1] 赵羿羽.有缆遥控水下机器人发展简介[J].船舶物资与市场,2017,(4).
[2] 路晓磊,马龙,张丽婷,等.小型水下机器人ROV应用研究[J].海洋开发与管理,2015,(6).
[3] 桑金.观察型水下机器人ROV系统配置研究[J].海洋测绘,2012,(4).81-84.
[4] 蒋喻栓,黄君华,林晓,等.ROV动力传输及控制系统的研究[J].科学与信息化,2017,(23).
附：作者简介
工作单位：上海电气风电集团股份有限公司技术部
姓 名： 杨元侃 性 别： 男
年 龄： 36 出生日期：1984.02.03
民 族： 土家族 籍 贯： 中国湖北省咸丰县
政治面貌：中共党员
学 历： 硕士研究生 E-mail： 93984519@qq.com
邮政编码：200240 邮政编码：200233
职 称： 工程师 职 务： 解决方案经理