一种多模态感知的海上风电电缆智能巡检无人潜航器说明书

作品内容介绍

基于国内外带缆式水下机器人的研究发现，协同控制技术、融合诊断技术以及实时诊断技术存在缺陷，针对这一系列问题，对无人潜航器进行了多种技术的优化。

一、研制背景及意义

传统巡检方式长期存在效率低下与安全风险等多重缺陷，其作业依赖船员与大型船舶，使用拖拽式声纳等设备，受海况与天气制约严重，有效窗口短、检测精度不足，且人工成本高、作业风险大。传统探测手段单一，仅凭声学或磁学数据难以全面识别电缆故障，易产生误判与漏检，致使故障响应滞后，修复周期长，一旦停运则发电损失巨大，维修成本动辄千万。而多模态感知的海上风电电缆智能巡检无人潜航器则展现出显著优势，其集成的声学系统可穿透水体精准测绘电缆路由与悬空掩埋状态，浅地层剖面仪探测埋深，磁力计实现非接触定位与跟踪，多源数据融合更构建出电缆全域状态的数字孪生，全面克服单一传感局限。该技术大幅降低运维成本，无需大型船舶与船员，以高效率巡检缩短作业周期，并通过早期预警安排预防性维护，最大限度减少发电损失，提升资产寿命与项目回报率。多模态感知的海上风电电缆智能巡检与无人潜航器的研制是响应国家能源战略、突破产业瓶颈、驱动运维变革的必然选择，不仅代表一项关键装备的突破，更推动海上风电运维迈向智能化数字化无人化的新纪元，对保障能源安全、促进海洋经济发展与实现绿色转型具有重大战略价值。

二、设计方案以及竞品分析

2.1 总体设计构思

多模态感知的海上风电电缆智能巡检无人潜航器，外观设计充分体现了其功能导向与水下适应性。整体呈现为流线型躯体，配备长艏翼结构，以提升水下巡航时的稳定性与机动性能，实现低阻力“飞行”。其主体采用工业级坚固框架，模块化布局集成了多种探测传感器：头部配有高清摄像模块与照明系统，用于近距离光学观测；底部则密集排布声学、电磁等探测单元，如侧扫声纳与磁力仪，以实现对电缆路由、掩埋状态及磁场信号的同步采集。推进器采用多向量布局，保障其在复杂海流中灵活转向与稳定悬停。还装配有可收放机械臂，用于水下干预与维护。

2.2 产品各系统简介

感知探测系统：这是整个系统的“感官”，负责采集一切与电缆和环境相关的信息。核心功能：实现“声、光、电、磁”多模态融合探测。

导航、控制与定位系统：这是系统的“小脑”和“内耳”，负责掌控自身方位与运动。核心功能：实现水下精确定位、自主航迹跟踪与智能避障。

数据处理与智能诊断系统：这是系统的“大脑”，负责将数据转化为洞察和决策。核心功能：多源数据融合、状态诊断与预测性维护。

平台与协同系统：这是系统的“身体”和“团队协作”能力体现。核心功能：提供水下机动平台，并与水面平台协同作业。

指挥与控制系统：这是整个任务的“指挥中枢”，负责全局监控和调度。核心功能：任务规划、实时监控与人机交互。

2.3 功能模块解析

（1）潜航器生产材质选择：

多模态感知的海上风电电缆智能巡检无人潜航器采用钛合金耐压舱体（耐压200米）、重防腐涂层（盐雾测试>5000小时）及冗余推进系统设计，确保无人潜航器在高盐、高压、强湍流等恶劣海况下的高可靠性与长寿命，系统可用性大于95%。

（2）感知探测模块

声学探测单元：作为水下“慧眼”，侧扫声纳和多波束测深系统负责大范围测绘海底地形，精确勾勒电缆的宏观路由、悬空高度和掩埋状态；浅地层剖面仪则能穿透海底表层，探测电缆的埋藏深度。磁学探测单元：这是系统的“本质安全”探测手段。通过高精度磁力计探测通电电缆产生的磁场，实现非接触式定位与跟踪。其核心优势在于不受水体浑浊、黑夜或电缆半掩埋状态的影响，是光学和声学探测的有效补充。光学探测单元：在能见度良好时，高清摄像系统与高强度照明灯协同工作，提供电缆表面的高清影像，用于识别护套破损、铠甲腐蚀、附着生物等表面缺陷。

（3）导航定位模块

    组合导航系统：通常融合惯性导航系统（INS）、多普勒计程仪（DVL）和GPS，实现水下长时间、高精度的自主定位，解决水下GPS失效的难题。智能巡缆跟踪算法：基于感知模块提供的实时数据（尤其是磁信号），算法能自主生成跟踪指令，引导潜航器稳定沿电缆路由巡航，有效应对洋流干扰与复杂海底地形。

（4）平台与协同模块

载体与推进系统：采用低噪音、高效率的无刷直流推进器，通常以矢量布局（如6推进器配置）提供全向机动能力，实现水下精准悬停、灵活转向和稳定航行。异构协同控制：作为“无人艇-水下机器人”异构系统的一部分，它能与水面无人艇通过水声通信或光纤微缆进行实时数据交换与指令接收，构成一个覆盖水上水下的协同作业整体。

2.4 主要创新点

(1) 多推进器矢量协同控制技术：突破传统水下机器人机动性限制，采用八推进器矢量布局，实现六自由度的高精度运动控制与强抗流能力，确保在复杂海况下的稳定悬停与精准路径跟踪，为精细检测作业提供可靠的机动平台。

  （2）多模态感知融合诊断技术：创新性地构建 “磁-声-光-电”四维感知框架，通过融合磁通门磁力仪（电缆埋深与裸露）、4K视觉（外护套损伤）、前视声呐（路由追踪）及电导率探针（绝缘劣化）数据，实现对电缆状态的多维度交叉验证与综合诊断，将关键缺陷综合检出率提升30%以上。

（3）轻量化AI边缘实时诊断技术：基于迁移学习训练适用于水下环境的轻量化缺陷识别模型，并部署于机载边缘计算单元，实现对4K视频流的亚秒级（<0.5s）实时分析与缺陷标注，误检率低于2%，从根本上改变了依赖人工后处理的低效模式。

2.5目的和用途

多模态感知的海上风电电缆智能巡航无人潜航器，旨在通过“磁-声-光-电”多模态融合感知与“无人艇-水下机器人”异构协同作业，系统性解决传统载人船巡检模式存在的人工依赖度高、安全风险大、探测效率低及数据单一等核心痛点。该系统能够对海底电缆进行全覆盖、高精度检测，精准识别路由悬空、掩埋状态及表面损伤，实现从被动故障修复向主动预警预测的根本转变，从而大幅提升巡检安全性与效率，显著降低全生命周期运维成本，为海上风电场的长期稳定运行与深远海发展提供关键的技术支撑。

装置整体路线图

三、系统性能分析

3.1 电池

电池是AUV的“心脏”，直接决定了其航程和作业时间。首选：高能量密度锂离子电池具体技术： 锂聚合物电池。理由： 能量密度高、功率密度适中、技术成熟、成本相对可控。               

综上所述，续航与任务的平衡：电池容量是硬约束。设计任务时，必须在航速、作业时间和传感器功耗之间取得平衡。低速巡航能显著增加航程。

3.2电机与推进器

   电机负责将电能转化为机械能，驱动AUV运动和姿态调整。无刷直流电机。理由： 效率高（通常85%-95%）、扭矩大、调速性能好、维护少、寿命长。完全密封设计，适合水下高压环境。                      

推进器配置与关键参数：主推进器: 1-2 个 无刷直流电机 + 导管螺旋桨 提供前进/后退的主推力。功率通常在1-5 kW之间，取决于AUV尺寸和航速要求。矢量推进器: 多个（4-8个） 无刷直流舵机: 布置在AUV首尾和两侧，提供垂直、横向移动和转向力矩，实现悬停、定点观测等精细操作，对电缆巡检至关重要。单个推进器功率: 0.5 - 2 kW（矢量）， 1 - 5 kW（主推） 最大航速 3 - 6 节（巡航）， 爆发速度可达8节 巡检时通常以1-3节低速航行，以保证传感器数据质量。静音设计: 低转速、大扭矩、优化桨叶设计 减少自身噪音，避免对声学传感器产生干扰。

  综上所述：动力与操控的平衡：主推进器保证航速和抗流能力，而多个矢量推进器是实现复杂巡检动作的核心。

四、结构强度计算

碳纤维复合材料，因其优异的性能，成为越来越重要的选择。它们采用三维立体编织的碳纤维骨架与高性能树脂结合，能实现出色的比强度，在保证强度的同时显著减轻壳体重量，为搭载更大电池、实现长航程提供了可能。这类材料天然耐腐蚀，且通过特殊的编织缠绕复合工艺，整体性强，具备优异的抗撞击和抗变形能力。更先进的设计还会在壳体材料中植入光纤等传感器，形成“智慧壳体”，可实时监控壳体内部的应力应变，实现健康诊断和预警。

综上所述，碳纤维复合材料，其以天然耐腐蚀，整体性强，具备优异的抗撞击和抗变形能力是无人潜航器壳体的材料首选。

五、结论

多模态感知的海上风电电缆智能巡航无人潜航器，通过集成“声-光-电-磁”多模态感知技术，构建了一套能够穿透水体、无视浑浊的“水下全能感官”，可全面掌握电缆的悬空、掩埋、路由及表面损伤状态，构建高保真数字孪生；凭借高精度组合导航与智能控制算法，它成为一位“自主巡航专家”，实现了长航时、高精度的自动巡缆与避障，将人员从高风险海上作业中彻底解放；同时作为一位“AI诊断医生”，它通过机器学习模型对电缆健康状态进行智能评估与早期风险预警，推动运维模式从“事后抢修”向“预测性维护”跨越。这套系统标志着海上风电运维正式迈入智能化、数字化、无人化的新纪元，不仅是破解当前产业发展瓶颈的利器，更将成为开启未来深远海能源开发大门的钥匙，具有重大的现实意义与深远的战略价值。