实时动态模拟技术作为一项先进的新兴数字技术，是仿真技术与计算机图形学人机接口技术多媒体技术传感技术网络技术等多种技术的集合，是一门富有挑战性的交叉技术前沿学科和研究领域。本篇我们就带智友们了解一下工作级ROV在进行水下设施作业的实时仿真技术。 

海底设施一般包括海底管汇撬、井口、水下采油树、水下生产系统等。由于海上及海底环境条件异常恶劣，在开发和建造过程中有着非常大的挑战。为了能够全面、安全地验证ROV的可操作性和安全性，水下机器人制造商和运营商一般会开发ROV仿真模拟器，来营造接近于真实环境的虚拟场景，并在此场景中培训ROV操作员、并且验证设备的性能。我们今天以CM Labs、FMC和Schilling Robotics联合开发的一款基于window环境的ROV模拟仿真软件为例展开描述。

基于VR的工作级水下机器人虚拟仿真系统

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图 纹理应用到模型中

从图形文件中，可以使用Vortex对设备进行建模。它包括创建部件和约束关系，指定运动学和惯性特性，并创建基于原始碰撞几何的碰撞模型。需要说明的是，建模的精确程度需要包括指定物体上流体的相互作用参数，如阻力、浮力和附加质量系数。 

对环境的精确建模和仿真也是必不可少和至关重要的。许多作业必须在能见度低、海浪和强水流的恶劣海况下进行。将要考虑的重要因素尽早澄清也是极其重要的，如恶劣的海况(如水流对设备的影响)就是主要考虑的问题之一。 

概括来说，海底的环境模拟具有自己的特点：

• 光照的影响，越深的地方海洋背景颜色越深，呈渐变的效果；

• 要体现海流的运动，让观察者感到周围有“水体运动”，为达到这种效果，采用在蓝色水体模型里面添加两层贴有透明水波纹理的环形柱面的方案，并设置DOF旋转动画，让两层柱面分别向两个反方向运动，使观察者感到周围的水波在运动；

• 海底的能见度比较低，景物看上去有雾蒙蒙的感觉，但又要保证观察者能够清楚的看到ROV的作业情况，需要在环境模型里添加了云雾实例，产生了“近地雾”的效果。

仿真

水下设备会受到实时设计变化和作业调整的影响，因此仿真需要具备一定的灵活性，可以方便地进行设备和配置的修改。典型的方案是可以使用多种ROV配置。甚至超过10种不同的配置，并且可以在运行时随给定场景动态加载。此外，可以在模拟过程中直接调整安装在机器人上的工具(例如刚性安装扭矩工具)的相对位置。这一附加功能允许领航员调整工具在ROV上的位置，这在实际操作中非常重要，特别是在ROV操作非常有限的情况下。模拟ROV还配备了一个镇流器，可以在模拟过程中调整参数(如质量和质心)。

图 ROV基本配置(左图)、带有扭力工具的ROV(中图)、带有液压飞头的ROV(右图)

另一个关键方面是从水下机器人操作者——领航员的角度出发，设计一个直观的模拟器操作交互界面和操作台。操作部分提供了两个操纵杆来操作ROV，同时提供两个机器人手臂的操作功能。

图 使用现有的工程操纵杆进行模拟

同时还有记录系统。记录系统的一个主要特征是能够识别和选择重要事件(称为关键帧)，以便有可能从这些关键帧恢复模拟进程。这个基本特性，可以显著减少执行模拟所需的时间，因为典型的过程可能非常复杂。此外，该特性使得在测试时执行给定任务的替代方法变得容易。界面也可以用来回放以前的录音。

图 记录和回放界面

图 ROV仿真模拟操作流程示意图

• 创建一个任务描述看板

海底设备供应商将编写和描述水下作业需要执行操作的步骤。包括所需的设备清单及其在现场的位置、现场的初始配置、操作所处的海况(通常是最坏的情况)和其他需要考虑的方面。该任务描述看板通常是用来帮助模拟工程师以充分理解作业过程，从而可以编写对应的程序。 

• 对任务看板的校核

经验丰富的ROV领航员会对上述任务描述看板进行核查，从而对程序进行验证并评估其可行性。先导输入是必不可少的，因为它可以帮助优化程序，以减少执行操作所需的时间。例如，改变任务顺序可能会减少重新配置工具时ROV所需的往返行程。此外，领航员可以通过任务描述看板找到缺少的信息，进而验证每个步骤，并为给定的操作选择合适的ROV配置。依据经验，海底设备供应商和试验方之间需要进行多次沟通，才能得出任务描述看板的最终版本。 

• 场景构建与仿真

终版的任务描述看板会给到仿真模拟开发团队，构建操作的模拟器场景。通常，为了降低每个部分的复杂性，一个操作步骤可以分成几个部分，并允许多个ROV领航员同时进行模拟操作。开发过程中需要ROV领航员和仿真工程师进行多次沟通，调整模型，以获得更真实的运动，提高仿真的性能，或根据仿真过程中发现的问题修改场景。 

• 同步控制原理

ROV领航员测试完整的操作并尝试不同的替代方案后，将完整的操作报告发回给水下设备供应商。该报告会详细阐述在模拟过程中发现的问题，以及可能的改进措施，以降低ROV作业的风险，加快ROV作业效率。

水下设备供应商与油气公司会一起评估报告中提出的问题，并对设备进行必要的修改，以解决这些问题。若水下设备需要重新设计，一个新的模拟代码需要随之迭代执行来验证新的设计。

以下是几种典型作业场景：

图 海底采油树安装场景模拟

图 液压飞头插拔模拟

水下复杂未知的环境，为各类工程作业和检测工作带来了非常大的不确定性。伴随着海上油气开发和海上新能源的趋势而发展的水下工程作业和机器人技术，目前已能够满足大部分的应用场景，并延伸至安全搜救、管道检查、水坝修复等领域。但无论是从工程施工层面(作业成本高，工作环境复杂多变)，还是水下机器人系统本身造价昂贵的层面考虑，水下施工作业单位为了提高水下机器人作业效率和可靠性，降低作业成本和风险，通常需要对水下机器人操作人员进行长时间的离线仿真模拟操作培训。操作人员操作熟练后方能上船实际操作水下机器人进行水下施工，因此一款持续的提高水下机器人操作的易用性和更接近真实操作场景的水下机器人仿真模拟系统愈发成为各水下工程施工方、运营方和研究教学机构的强烈需求。

深海智人公司研发团队有着丰富的商用工作级ROV系统、关键核心部件研制和工程化经验，在模拟仿真系统方面同样拥有成功实践。在国际一流技术基础上，可以为用户提供更多原创性、高品质的解决方案。