腹部作业型水下机器人控制系统研制

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1556.008.html 期刊网址:www.ship-research.com引用格式:张玮康,王冠学,徐国华,等.腹部作业型水下机器人控制系统研制[J].中国舰船研究,2017,12(2):124-132. ZHANG W K,WANG G X, XU G H ,et al. Development of control system in abdominal operating ROV[J]. Chinese Journal of Ship Research,2017,12(2):124-132. 1,王冠学1,徐国华1,刘畅1,申雄2张玮康1 430074华中科技大学 船舶与海洋工程学院,湖北 武汉2 430205武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 人(UUV)的回收任务要求,研制开发一台新式腹部作业型水下遥控机器人摘 要:[目的]针对无人水下机器(ROV)。腹部作业型ROV ROV,其通过腹部作业机构完成与UUV不同于一般依赖机械手作业的传统 的水下对接及回收。[方法]介绍腹部作业型ROV的系统组成及原理,提出一种以一体化工业加固计算机为水面监控单元,PC104

嵌入式工业控制计算机为水下主控单元,各驱动板为驱动单元的控制系统架构。同时建立腹部作业ROV型 的动力学模型,并设计水平面定向控制的H∞鲁棒控制器。[结果]单项试验、系统联调及水池试验表明, ROV UUV腹部作业型 控制系统具有良好的实时性和可靠性,能够满足 回收任务的要求。[结论]该架构和算法

对于其他移动机器人、无人机、仿生机器人的控制系统开发均具有参考意义。关键词:腹部作业型水下遥控机器人;控制系统;PC104;H∞鲁棒控制中图分类号:U674.941 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.016 Development of control system in abdominal operating ROV ZHANG Weikang1,WANG Guanxue1,XU Guohua1,LIU Chang1,SHEN Xiong2 1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China 2 Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430205,China

Abstract:In order to satisfy all the requirements of Unmanned Underwater Vehicle(UUV)recovery tasks, a new type of abdominal operating Remote Operated Vehicle(ROV) was developed. The abdominal operating ROV is different from the general ROV which works by a manipulator, as it completes the docking and recovery tasks of UUVs with its abdominal operating mechanism. In this paper, the system composition and principles of the abdominal operating ROV are presented. We then propose a framework for a control system in which the integrated industrial reinforced computer acts as a surface monitor unit, while the PC104 embedded industrial computer acts as the underwater master control unit and the other drive boards act as the driver unit. In addition, the dynamics model and a robust H-infinity controller for automatic orientation in the horizontal plane were designed and built. Single tests, system tests and underwater tests show that this control system has good real-time performance and reliability, and it can complete the recovery task of a UUV. The presented structure and algorithm could have reference significance to the control system development of mobile robots, drones, and biomimetic robot. Key words:abdominal operating ROV;control system;PC104;H-infinity robust control

0引言

随着世界经济、科技的发展,人类加快了对海洋资源的开发步伐。为了提高海洋资源的开发能力,坚决维护国家海洋权益,建设海洋强国,必须大力发展我国海洋技术,特别是深海探测、运载及作业技术[1]。水下机器人是海洋资源勘探和开发的重要工具之一,根据其载人与否又可分为无人水下机器人(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)和载人水Human Occupied Vehicle,HOV下机器人( )。而UUV又可根据其控制方式主要分为有缆遥控水Remotely Operated Vehicle,ROV下机器人( )和无缆自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)2个大类[2]。近年来,UUV广泛应用于海洋探测、开发、搜救等领域,比较典型的有“蓝鳍金枪鱼”号执行了寻找马航残骸的任务[3]。UUV虽然目前各国的 技术已较上个世纪取得了长足的发展,但是针对水下复杂多变的环境UUV以及无缆型 动力受限、控制复杂等现状, UUV的回收成为必须解决的难题[4-6]。目前,国内UUV外用于对接及回收 的腹部作业水下机器人U型的作业方式主要为多机械手协同抓取或液压架夹持,这些方式存在控制难度高、体积大、易造成海洋环境污染等缺点[7-8]。本文将研究的腹部ROV”)作业型水下遥控机器人(简称“腹部作业型 UUV是利用带导向筒的电驱动腹部作业机构对UUV对接杆进行导向和锁紧,并最终完成 的捕获ROV,其腹部作业机构和回收的新型腹部作业型存在体积小、污染低、功耗低等优点。控制系统的ROV可靠性能是腹部作业型 完成指定任务的前提和保障。

1 腹部作业型ROV系统组成

ROV 3腹部作业型 系统总体上分为 个组成部ROV分:水面监控台、脐带缆和 本体。系统总体1 1所示,ROV技术指标如表 所示,总体结构如图2本体设备布置如图 所示。ROV UUV腹部作业型 在进行 捕获回收作业任务时,操作人员首先根据水面监控计算机显示的水下摄像头的视频信息操作手操盒,经由水面监控软件处理后发送给水下控制器,进而驱动ROV UUV;当 ROV本体运动,从而寻找并接近 靠UUV UUV近 时,通过旋转摄像头寻找 底部伸出的ROV ROV对接杆;操作 使对接杆插入 浮力材中央的腹部作业机构锥形导向筒,同时操作腹部作业 1 ROV图 腹部作业型 系统总体结构Fig.1 The system structure of abdominal operating ROV 2 ROV图 腹部作业型 本体设备布置Fig.2 The devices layout of abdominal operating ROV ROV机构电动推杆(位于 艉部中线),使其伸进UUV UUV对接杆锁紧孔,从而完成 的捕获和对接3~图4任务,对接过程示意图如图 所示。

2 控制系统结构

ROV 5腹部作业型 控制系统结构如图 所示, 2主要分为水面集控台和水下控制器 大部分,二者直接通过零浮力脐带缆进行数据通信、视频信号传输及电力传递。

2.1 水面集控台

水面集控台由手操盒、水面监控计算机、水面6直流稳压电源组成,其组成框图如图 所示。 6图 水面集控台组成框图Fig.6 The constitution diagram of surface monitor 手操盒由三轴操纵杆、按钮、信号处理板、USB4716采集模块组成。其中信号处理板将输DC26V DC5V入的 电源转换为 ,进而给操纵杆、USB4716按钮等供电并转换为 采集卡输入范围内的模拟和数字信号;USB4716则将采集的信号通USB过 总线发送给水面监控计算机。水面监控计算机为研华一体化工业加固计算机,主要由基本板卡、视频采集卡及多串口卡组成,其中视频采集卡采集水下摄像机传回的视频信号,多串口卡则RS485提供 串口进而与水下主控制器通信。为提供良好的可视化人机界面,水面监控软VC++ 6.0 Windows XP件基于 开发,运行于 操作系7 8统,其运行界面如图 所示,模块组成框图如图所示。

5 ROV图 腹部作业型 控制系统结构图Fig.5 The control system structure of the abdominal ROV

4图 对接完成Fig.4 Complete the docking task

3图 对接过程Fig.3 During the docking task

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