Chinese Journal of Ship Research
水下安全检测与作业型机器人控制系统
1，曾庆军1，戴晓强1，2，朱春磊1，凌宏杰3张光义 1 212003江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江2 212003江苏舾普泰克自动化科技有限公司，江苏 镇江3 212003江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江
摘 要：［目的］针对船体、大坝、水下钢结构等表面附着物的安全检测，以及附着物清除作业的要求，需要研制一款新型水下安全检测和作业型带缆遥控水下机器人（ROV）。此类ROV需针对不同作业任务更换机械手，实现抓取、切割的功能，从而保证去除结构物上的附着物。［方法］阐述水下安全检测和作业型机器人的整套系统组成及原理。该系统以Arduino单片机为控制面板信号采集工具、以水面监控系统开发工控机为平台，零浮力脐带缆以2对双绞线、1对电源线为信号电力传输线，水下控制系统以ARM嵌入式为主控单元。建立ROV动力学模型，设计ROV艏向控制的广义预测控制器。经过系统调试，进行水池试验和湖上试验。［结果］试验证明，该系统运行正常，整套控制系统的稳定性、可靠性、实时性均达到设计要求，满足水下安全检测及作业要求。［结论］该系统设计方案和控制算法对于其他水下机器人的控制系统研究均有借鉴意义。关键词：安全检测；作业；控制系统；广义预测控制；湖试试验中图分类号：U674.941 文献标志码：A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01167
0引言
随着海洋事业的不断发展，深海资源开发及结构物安全检测与维护成为必需。但是由于水下环境恶劣，人类下潜的深度有限，因此需要水下机器人潜入水下替代人类进行安全检测与作业。水下作业机器人通过水面控制台进行操控，实现机器人的姿态运动以及图像数据监测，从而达到近距离观测结构物、机械手作业的功能。因此，对水下作业机器人控制系统及运动控制算法的研究将有利于机器人在海洋、湖泊及大坝等各个领域的应用。3水下机器人可分为 类：载人水下机器人（Human Occupied Vehicle，HOV ），自主式水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle，AUV），带缆ROV）1遥控水下机器人（ ，三者的应用及控制系［ ］ ROV统不尽相同。由于 具有作业深度大、动力充足以及适应水下恶劣环境的优点［2］，因此被广泛地应用于海洋管道的勘察、海洋平台的检查与维修、水下大坝的检测、水产养殖等不同行业。更有脐带缆作为安全保护，极大地提高其安全性能，发生故障时不易丢失，但同时，其脐带缆限制了ROV的运动范围。国内很多学者在机器人研制方面做了研究。ROV许竞克等［3］介绍了 的系统组成及其特点，并ROV探讨了 的应用和发展趋势，说明水下机器人发挥的巨大作用；王宇鑫［ 4 ］介绍了“海螺一型” ROV控制系统结构与艏向控制技术，此款机器人100 m，但是无机械手进行水下作业；下潜深度为 ROV，等［5］研张玮康 制了一款依赖机械手作业的其主要通过腹部作业机构完成对接及回收。张铭钧等［6］将神经网络与广义预测控制相结合，对“海狸”水下机器人进行纵向控制。ROV目前，国内外 多采用推进器实现单一的浮游运动，且能够实现对水下船体及结构物安全检测与作业的机器人并不多。本文将设计一种通过推进器及轮组模块实现机器人浮游、爬行，通过更换机械手实现对附着物抓取、切割功能的控制系统结构；对自主研发的水下安全检测与作业型机器人“METI-I”进行建模，并使用最小二乘法将其六自由度动力学模型简化为单自由度模型；设ROV计广义预测控制器，对 的艏向运动进行控制仿真，并进行水池试验与湖上试验，以验证自主研ROV发的 的可靠性。
1 控制系统组成
自主研发的安全检测与作业型水下作业型机 器人“METI-I”控 4制系统主要由 部分组成：水面ROV ROV控制台、电源柜、脐带缆及 本体。 控制1系统组成如图 所示。电源柜为水面控制台和ROV RS485本体提供电力，数据传输通过 半双工ROV 9个进行传输，传输介质为双绞线。 本体由2）。部分组成（图 此款水下安全检测与作业型机器人的工作深300 m，具体技术参数如表1度可达 所示。操作人员进行水下机器人作业时，通过水面控制台的操ROV纵摇杆、控制按钮来实现 的运动及机械手的动作控制，并且通过显示器可实时监测水下信息， ROV包括视频图像信息和 各传感器信息。
2 控制系统结构设计
ROV控制系统结构包括：水面控制系统、脐3带缆和水下控制系统。其系统结构如图 所示，水面控制台主要包括操纵摇杆、控制按钮、显示器和工控机等，实现通信数据的显示及控制指令的ROV下发；大功率电源为水面控制台和 本体提供
2 1电力；脐带缆采用 对双绞线和 对电源线，电源RS485线用于电力传输，一对双绞线用于 通信，另ROV一对用于视频信号传输。 本体采用嵌入式微控制器对推进器、水下灯、机械手等进行控制，并且对传感器进行数据采集。
2.1 水面控制台
ROV水面控制台用于实现 的运动及作业，主I/O，AD要通过单片机的 模块等将采集到的按钮、USB电位器及摇杆信息通过 串口发送至工控机，工控机将接收到的数据经过处理发送出去，再经USB RS485 RS485过 转 模块后，变为 信号进行远距离传输。视频信号通过放大器后接入视频采集卡，然后通过工控机，将视频信号显示在液晶屏上。Arduino控制面板的数据采集采用 单片机实现对操纵摇杆、控制按钮的信号采集，通过串口将数据发送至上位机，在串口中断时接收上位机下发的数据，并使用外部中断进行报错处理。Visual Studio MFC上位机软件采用 进行软件编程。视频监控主界面实时显示视频图像，同时ROV将 的姿态角、深度、舱内温湿度等重要监测数据叠加显示在视频上。后台数据显示界面可以ROV实时显示 本体的各项监测数据。
2.2 水下控制系统
水下控制系统安装于电子耐压舱中，电子舱O使用 型圈进行水密，防止水渗入舱内，毁坏控制4），用系统。舱内骨架采用贴壁散热设计（图 于4对器件的水冷散热。舱内主要布置 块电路板，分别为功率电源板、小电源板、推进器驱动板和主ROV控板。 的运动及作业等主要由嵌入式微控 5制器实现控制作用；功率电源板为 台推进器供电；小电源板功率小，用于控制电路的供电；推进器驱动电路采用信号隔离的方式实现对推进器的有效控制。 ROV ARM本体控制系统采用 控制芯片，运用其最小系统、USART模块、ADC模块、GPIO模块、TIM PWM定时器模块和 输出模块等来控制推进器、水下灯、云台和机械手，并采集舱内温湿度、漏水、导航和深度等信息。IAR软件设计采用 软件进行编程。通过GPIO模块实现漏水检测、温湿度检测、电源模块GPIO报错及使能控制，并且在 中断中做了定航、USART定深的控制算法；通过 串口实现机械手的控制、导航数据、深度计的数据采集、云台控制及PWM与上位机的数据通信；通过 输出模块实现对水下推进器、水下灯等设备的控制。机械手是机器人进行水下作业的重要组成部ROV分，虽然此款 上应用的机械手只有一个自由2 5），分别为抓取度，但是它配备了 种机械爪（图ROV式和剪切式，当 在水下进行不同作业时可随RS485时更换。机械手采用 通信方式进行控制，其夹持力、切割力可调，在设计中采用旋钮来控制机械手，以调节夹持力与切割力。
3 ROV动力学模型的建立
以自主研制的水下机器人“METI-I ”为研究对象，根据流体中刚体的牛顿—欧拉运动方程建ROV立 动力学模型，为了便于计算，简化了动力学模型，并对简化的模型进行参数辨识。
3.1 动力学模型
ROV 6在水中做三轴移动和三轴旋转 个自由度的运动，在运动坐标系下可使用下式描述水下机器人动力学特性［7］： Mv̇ + C (v)v + D(v)v + g(η) =τ （1） η̇ = J (η)v
ROV式中：η为固定坐标系下 的位置姿态向量；v ROV为运动坐标系下 的线速度及角速度向量； ROV J (η) 为转换矩阵； M 为 质量及惯性矩阵， ROV M ´ 6 ；C (v) Î R6 为 科氏及向心力矩阵， ROV C (v)Î ´ 6 D(v) R6 ； 为 流体阻力矩阵， D(v)Î ´ 6 ；g(η) R6 为重力和浮力共同作用形成的ROV回复力矩阵，g(η)Î ´1 R6 ；τ 为 推进器产生的´ 1力矩向量，τ Î R6 。
3.2 模型简化
ROV由于 在观测及作业过程中航行速度低，完全可以忽略科氏向心力的作用；ROV的运动方式主要有前行、后退、上浮、下潜及转艏，所以可将
其运动方式看作是简单的单自由度运动，且各自由度间的耦合性很小；ROV的运动坐标原点与重ROV心重合。令 的重力、浮力分别为G 和 B ，从而可将模型简化为［8］， （2） Mv̇ + D(v)v + g(η) =τ }；式中： M = diag{m + Xu̇ 0 m + Zw 00 Iz + Nṙ D(v) = diag{ Xu + Xu|u||u |0 Zw + Zw|w||w |00 Nr + Nr|r||r|} ；g(η) = [0 0 G - B 0 0 0]T 。ROV的浮力略大于重力，这样使其发生故障时可以上浮至水面。ROV 3由此，可得到 在 个自由度方向上的动力学模型，且其在运动坐标系中单自由度动力学
模型为
（3）
mζ ζ + dζ ζ + dζ|ζ| ζ|ζ| + gζ = τζ式中：mζ 为惯性系数；dζ 和 dζ|ζ| 分别为一次阻力ROV系数和二次阻力系数； gζ 为 重力及浮力的合力矩在 ζ 自由度方向上的分量；τζ 为推进器所产生推力在 ζ 自由度所产生的作用力。
3.3 模型参数辨识
ROV动力学模型的建立需要获得众多的水3动力系数，目前有 种方法来获取水动力系数：经CFD FLUENT法［9］，本文基于验法、试验法和 软件ROV 2对 进行数值模拟辨识。表 所示为艏向航态下不同航速对应的阻力分布的部分数据。 MEMS通过微型航姿惯性导航系统可以获得ROV的艏向角，通过艏向角对时间的微分获得艏向角速度、艏向角加速度。利用最小二乘参数估ROV计方法［ 10 ］求得 艏向角自由度方向的动力学模型：
（4） 11.76r + 12.04r + 140.0r|r| = τr式中：r 为艏向角速度；τ 为推进器转艏阻力。100 ms，对式（4）运用欧系统采样周期设置为拉离散化处理，求取近似方程得： r(k) = 1.102 4r(k - 1) + 1.19r(k - 1)|r(k - 1)| + （5） 0.008 5τr (k - 1)式中，k 为采样次数。
4 广义预测控制器 4.1 广义预测控制
广义预测控制（Generalized Predictive Control， GPC CARIMA） ）采用受控自回归积分滑动平均（模型作为预测模型［11］，该模型可以写为： e(t) （6） A(z -1) y(t) = B(z -1)u(t - 1) + D - 1 - 1 1式中：A(z ) ，B(z ) 为 z的多项式；u(t - 1) 为推进器的输入电压值；e(t)为高斯白噪声序列；D为
差分算子。为了输出稳定的跟随给定值 r(k) ，采用一阶
滤波器，使其柔和地跟踪给定值，避免直接跟踪导致的震荡，难以达到稳态。yr (k) = y(k) yr (k + 1) = αyr (k) + (1 - α)r(k) （7）式中，α为输出柔化系数。