16水下安全检测与作业型机器人控制系统

第6期收稿日期：2018-01-11网络首发时间：2018-10-1914:15基金项目：国家自然科学基金资助项目（11574120）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20160564）；江苏省国际科技合作项目（BZ2016031）；江苏省研究生科研与实践创新计划项目（SJCX17-0594）；镇江市国际合作项目（GJ2015008）作者简介：张光义，男，1991年生，硕士生。研究方向：水下机器人控制。曾庆军（通信作者），男，1969年生，博士，教授，硕士生导师。研究方向：先进控制理论与应用，水下机器人控制，现代测控与智能系统。戴晓强，男，1981年生，博士，副教授，硕士生导师。研究方向：惯性导航系统，船舶自动化。引用格式：张光义，曾庆军，戴晓强，等.水下安全检测与作业型机器人控制系统［J］.中国舰船研究，2018，13（6）：113-119.ZHANGGY，ZENGQJ，DAIXQ，etal.ControlsystemofROVforunderwatersafetyinspectionandoperation［J］.ChineseJournalofShipResearch，2018，13（6）：113-119.水下安全检测与作业型机器人控制系统张光义1，曾庆军1，戴晓强1，2，朱春磊1，凌宏杰31江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江2120032江苏舾普泰克自动化科技有限公司，江苏镇江2120033江苏科技大学海洋装备研究院，江苏镇江212003摘要：［目的目的］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。［结结论论］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：ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01167ControlsystemofROVforunderwatersafetyinspectionandoperationZHANGGuangyi1，ZENGQingjun1，DAIXiaoqiang1，2，ZHUChunlei1，LINGHongjie31SchoolofElectronicsandInformation，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang212003，China2JiangsuShiptekAutomationTechnologyCo.，Ltd.，Zhenjiang212003，China3MarineEquipmentandTechnologyInstitute，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，Zhenjiang212003，ChinaAbstract：［Objectives］Inordertoachievesafetyinspectionsforsurfaceattachmentsonhulls,damsandunderwatersteelstructuresaccordingtotherequirementsofremovingattachments，anewRemotelyOperatedVehicle（ROV）equippedwithcablesforunderwatersafetyinspectionandoperationisdeveloped.ThistypeofROVusesdifferentmanipulatorsfordifferenttaskstoachievethefunctionofgrippingandcutting，soastoensuretheremovaloftheattachmentsonthestructure.［Methods］HerewedescribethecompositionandprinciplesofacontrolsystemoftheROVforunderwatersafetyinspectionandoperation；thiscontrolsystemusesArduinomicrocontrollerasacontrolpanelsignalacquisitiontool，industrialpersonalcomputerasaplatformofthewatersurfacemonitoringsystem，zerobuoyancyumbilicalcableconsistingoftwopairsoftwistedpairsandapairofpowercablesasthemeansofthesignalpowertransmission，andARMembeddedunderwatercontrolsystemasthemaincontrolunit；weestablishtheROVdynamicsmodel，anddesigntheGeneralizedPredictiveController（GPC）ofROVheadingcontrol.［Results］Thecommissionedsystemisnormal；tanktestandlaketestinQiandaoLakeprovethatthestability，reliabilityandreal-timeperformanceoftheentirecontrolsystemmeetthedesignrequirementsandtherequirementsofunderwatersafetyinspectionandoperation.［Conclusions］ThedesignschemeandcontrolalgorithmofthissystemcanprovidereferenceforthecontrolsystemofotherROVs.Keywords：safetyinspection；operation；controlsystem；GeneralizedPredictiveController(GPC)；laketest第13卷第6期2018年12月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearchVol.13No.6Dec.2018中国舰船研究第13卷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。水下机器人可分为3类：载人水下机器人（HumanOccupiedVehicle，HOV），自主式水下机器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV），带缆遥控水下机器人（ROV）［1］，三者的应用及控制系统不尽相同。由于ROV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。许竞克等［3］介绍了ROV的系统组成及其特点，并探讨了ROV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，此款机器人下潜深度为100m，但是无机械手进行水下作业；张玮康等［5］研制了一款依赖机械手作业的ROV，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。目前，国内外ROV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；设计广义预测控制器，对ROV的艏向运动进行控制仿真，并进行水池试验与湖上试验，以验证自主研发的ROV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”控制系统主要由4部分组成：水面控制台、电源柜、脐带缆及ROV本体。ROV控制系统组成如图1所示。电源柜为水面控制台和ROV本体提供电力，数据传输通过RS485半双工进行传输，传输介质为双绞线。ROV本体由9个部分组成（图2）。此款水下安全检测与作业型机器人的工作深度可达300m，具体技术参数如表1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纵摇杆、控制按钮来实现ROV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，包括视频图像信息和ROV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、脐带缆和水下控制系统。其系统结构如图3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下发；大功率电源为水面控制台和ROV本体提供图1ROV控制系统组成Fig.1ControlsystemsofROV图2ROV本体控制系统组成Fig.2ControlelementsofROV浮体开架式框架推进器云台摄像机机械手水下灯轮组模块电子耐压舱水翼平衡模块参数设计尺寸/mm工作水深/m航速/kn空气中净重/kg直流电源/V浮游推进器/个指标600×500×400300350400垂向2，纵向2，侧向1表1ROV关键技术参数Table1KeyparametersofROV114第6期电力；脐带缆采用2对双绞线和1对电源线，电源线用于电力传输，一对双绞线用于RS485通信，另一对用于视频信号传输。ROV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水面控制台水面控制台用于实现ROV的运动及作业，主要通过单片机的I/O，AD模块等将采集到的按钮、电位器及摇杆信息通过USB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，再经过USB转RS485模块后，变为RS485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。控制面板的数据采集采用Arduino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。上位机软件采用VisualStudioMFC进行软件编程。视频监控主界面实时显示视频图像，同时将ROV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实时显示ROV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，电子舱使用O型圈进行水密，防止水渗入舱内，毁坏控制系统。舱内骨架采用贴壁散热设计