新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!

   电工小二        

无人水面航行器(USV)作为无人智能设备,可以代替人类在危险区域更高效、更安全地执行任务。然而,由于复杂的航行环境和特殊的任务要求,USV在海洋溢油事故应急任务中面临着诸多挑战。为了解决'三七'油轮碰撞爆炸事故应急任务中的这些难题,研究人员设计并部署了一艘USV在沉船水域执行实时扫描和水样采集任务。与以往的USV相比,研究人员的USV拥有以下特点。第一,改进的导航控制算法(路径跟踪和避碰)在保证导航安全的前提下,提供了较高的导航精度;第二,改进的发射和回收系统(LARS)使USV能够在任务区域快速部署和回收;第三,为USV专门设计了新的采样系统。我国的USV顺利完成了任务,不仅为救援人员提供了大量信息,也为后续工作提供了科学依据。


相关论文以题为“Development of an Unmanned Surface Vehicle for the Emergency Response Mission of the ‘Sanchi’ Oil Tanker Collision and Explosion Accident”发表在《Applied Sciences》上。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


2018年1月6日,载有11.13万吨凝析油的伊朗油轮 "桑奇 "号在上海以东约160海里的东海海域与香港货轮 "长峰水晶 "号相撞。碰撞后,'三池'号剧烈燃烧,1月14日发生爆炸。爆炸后4小时,'三八'号沉没。事故造成3人死亡,29人失踪,'三八'号泄漏的油污污染了10平方公里的海域。事故发生后,中国国家海洋局、中国海上搜救中心、上海市海上搜救中心启动事故应急响应任务。图1为事故现场。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


图1.事故现场。


在此次事故中,“桑奇”号油轮共装载了11.3万吨凝析油。凝析油是一种剧毒、易挥发的化学物质,泄漏后随时都有爆燃的危险。因此,人类进入事故核心区执行任务太危险。研究人员急需一个移动的无人平台代替人类进入事故核心区,获取必要的信息,如海底地形、沉船状态、溢油位置、水污染情况等。


USV系统结构


研究人员的USV由以下部分组成:船体、控制模块、运动模块、导航模块和任务模块。下面将依次讨论每一个部分。图2是USV的结构概述。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


图2. 无人地面飞行器(USV)架构概述。


船体设计


该USV重2300公斤,长6.28米×0.98米×0.32米(长×宽×高),最大有效载荷为1吨。船体分为三个舱室。前段安装了前视声纳。考虑到振动问题,在中段设置了与甲板弹性连接的仪器柜。另一方面,循环冷却系统可以防止仪器柜过热。机载柴油机、油箱、蓄电池和喷水推进装置被安装在尾部。各装置的安装位置如图3所示。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


图3.设备安装位置。


导航模块


导航模块接收来自GPS(全球定位系统)、INS(惯性导航系统)、罗盘、前视声纳、雷达、LiDAR(光探测与测距)等传感器的数据。获得传感器数据后,导航模块对USV的位置、速度、航向、障碍物信息进行分析,结合任务要求给出USV的下一步速度和航向。如果存在障碍物,则需要通过相应的避撞算法调整速度和航向。导航模块的架构如图4所示。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


图4.导航模块


LARS


执行这次任务的母舰装备了一个吊艇式的LARS。在该LARS的基础上,研究人员研制了一种特殊的自动对接装置,解决了我国USV与LARS之间的对接问题,从而提高了部署和回收的精度和效率。


传统的对接装置是利用橡皮筋将绳索弹射到母船上,每次弹射后都需要手动复位橡皮筋,既麻烦又危险。特别是在高温、高湿的环境下,橡皮筋的使用受到限制。因此,必须经常更换橡皮筋,大大增加了使用成本。另外,橡皮筋的弹力是固定的,弹射距离调整不方便。新设计的装置采用高压气体式的弹射机构代替橡皮筋,通过调节压缩空气的压力,可以灵活地改变弹射距离,每次弹射后自动充气。与以往的弹射机构相比,新的弹射机构大大提高了整个系统的精度、安全性和灵活性。该装置最小弹射距离为10米,最大弹射距离为100米,充气时间小于5秒,有自动和手动两种模式。在自动模式下,USV根据GPS信息自动判断与母船的相对位置,调整弹射参数,完成弹射。当处于手动模式时,操作人员可以通过母船上的控制台调整装置的弹射参数。在实际应用中,该装置可在海况4下安全快速地展开或回收3吨重的USV(7.5米长)。


如图5所示,对接装置中共有三个部分:(1)弹射机构。铅弹和毒气炮从USV上弹出。(2)PTZ(Pan/Tilt/Zoom)机构。调整弹射机构的发射姿态,以保证毒气炮和铅弹能发射到母舰上。PTZ结构的俯仰和水平方向可在0-70°和0-180°之间调整。(3)对接机构。是USV与母船之间的接口,实现USV的升降。如表1所示,根据海试结果,研究人员测量了弹射机构在不同初始角度发射时,气炮的飞行高度和时间。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


图5.对接装置(a)对接装置的结构概述,(b)对接装置的构成。


表1.弹射装置的测试结果。弹射机构的测试结果。


新型无人水面航行器,可代替人类在危险区域更高效地执行任务!


结论


本文介绍了我国USV在'三七'油轮碰撞爆炸事故应急任务中的应用。改进的导航控制算法、改进的自动LARS和新的特殊采样系统使USV能够快速部署到任务区域,使USV在任务中具有更高的导航精度和导航安全性。在此次任务中,USV进行了实时扫描和采样,为确定沉船的准确位置、定位溢油点、估算溢油量、打捞沉船、评估污染情况提供了重要信息。这些信息不仅为救援人员提供了很多帮助,也为后续工作(如生态恢复、事故鉴定等)提供了科学依据。


虽然USV完成了任务,但研究人员在任务中也发现了一些新的问题,比如USV的稳定性不够。特别是在恶劣的海况下,环境干扰(风、浪、流等)对稳定性的负面影响尤为明显。单艘USV的能力也是有限的。由于速度和有效载荷的限制,单艘USV要完成一项复杂的任务需要很长时间。一旦USV在工作过程中出现故障,任务就必须暂停。


研究人员将继续通过主动预测环境扰动信息,建立多艘USV系统,解决上述问题。主动预测USV的环境扰动信息,可以根据环境扰动情况提前计算补偿指令,从而提高USV的稳定性。多台USV'系统在USV之间的配合下,可以提高USV的鲁棒性和可靠性,提高任务性能,降低成本,提供最佳任务方针。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/8/2704/htm



最新评论(0)条评论
不吐不快,我来说两句

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐