微小型自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

魏延輝,田海寶,杜振振,劉鑫,郭志軍，趙大威

(1.哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001；2.空軍駐江西地區(qū)軍事代表室，江西 南昌 330024)

隨著各國對海洋開發(fā)的重視，對海洋設(shè)備勘察和開發(fā)的研究越來越多，而水下機(jī)器人是海洋開發(fā)的重要載體，是研究的重點(diǎn)之一[1-3]。

智能水下機(jī)器人需適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境，其載體不僅要具有耐壓、水密和承受負(fù)載的能力，而且要具有低阻力、高推進(jìn)效率和實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動的能力。另外，在十分有限的空間，需配置不同性能的多種傳感器以滿足環(huán)境探測、目標(biāo)識別、自主航行和自主完成任務(wù)的需要[4]。因此水下機(jī)器人的總體技術(shù)是水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一。目前自主式的水下機(jī)器人多以細(xì)長流線型外形、欠驅(qū)動方式為主，這種方式的機(jī)器人具有阻力小、成本低、重量小、系統(tǒng)可靠性高等特點(diǎn)[5]，國外此類水下機(jī)器人較為著名，如REMUS-100，它是由美國Hydroid公司開發(fā)的一款被公認(rèn)為是當(dāng)今知名度最高也是最成功的微小型水下機(jī)器人[6]，還有Bluefin Robotics公司的Bluefin-9[7]、美國Nekton公司研制開發(fā)的微小型水下機(jī)器人“巡邏兵(Renger)”[8-9]也都代表著當(dāng)前水下機(jī)器人的先進(jìn)水平。

本文所設(shè)計(jì)的微小型自主式水下機(jī)器人采用主推進(jìn)器、雙側(cè)推進(jìn)器、雙垂推進(jìn)器的組合方式，建立系統(tǒng)控制模型，進(jìn)行系統(tǒng)控制試驗(yàn)有效性驗(yàn)證。

1 水下機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 水下機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

微小型自主式水下機(jī)器人設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)布置緊湊，合理利用水下機(jī)器人的各部分空間，以保證各種設(shè)備便于操作，又避免相互干擾和影響，以最大程度的發(fā)揮各種裝置和儀器的技術(shù)性能。此外，留有一部分備用空間，以便今后改裝和臨時(shí)增加設(shè)備儀器。本文所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人如圖1所示，機(jī)器人系統(tǒng)中主要器件如表1所示。

圖1 微小型自主式水下機(jī)器人

表1 微小型自主式水下機(jī)器人主要器件列表

機(jī)器人外殼體采用碳纖維，增加殼體的強(qiáng)度，減少了殼體的重量；電氣系統(tǒng)集中在密封艙內(nèi)，減輕系統(tǒng)防水任務(wù)，也便于拆卸維修；系統(tǒng)內(nèi)輔以剛性骨架，骨架設(shè)有浮力材料的安裝位置，方便進(jìn)行浮力配比；系統(tǒng)水中整體設(shè)計(jì)為零浮力狀態(tài)，且系統(tǒng)空氣中重心在系統(tǒng)重心偏下，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性；系統(tǒng)對外的電氣接頭采用防水接頭。

1.2 水下機(jī)器人形體設(shè)計(jì)

根據(jù)水下機(jī)器人的使用場合和技術(shù)要求，其外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式會各種各樣，但是進(jìn)行形體的設(shè)計(jì)時(shí)，總體需要考慮的原則：阻力小、航行性能好，足夠的強(qiáng)度，便于總體布置，良好的工藝性。

為了減小所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人行進(jìn)阻力，減少動力消耗，將外表做成流線型，如魚雷形或球形。自主式水下機(jī)器人需要系統(tǒng)自帶電源，為了增加水下操作時(shí)間，減少動力消耗，除了在控制方面合理進(jìn)行分配動力，還應(yīng)該減少行進(jìn)阻力，對形體進(jìn)行優(yōu)化，為此在殼體兩側(cè)的側(cè)下方分別安裝電源艙。

1.3 推進(jìn)器的布置

水下機(jī)器人的推進(jìn)器數(shù)量取決于要求實(shí)現(xiàn)的自由度的個(gè)數(shù)，一般來講應(yīng)大于或者等于自由度個(gè)數(shù)。所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人以平移運(yùn)動為主，能快速準(zhǔn)確地到達(dá)指定點(diǎn)目標(biāo)坐標(biāo)位置，在3個(gè)姿態(tài)角中，航向角決定水下機(jī)器人的前進(jìn)方向，是水下機(jī)器人姿態(tài)角中最重要的；俯仰角決定水下機(jī)器人的上升和下降運(yùn)動；為了保證水下機(jī)器人正常作業(yè)，通常將系統(tǒng)的重心設(shè)計(jì)到系統(tǒng)中心線偏下的位置，抑制其橫滾運(yùn)動的產(chǎn)生。綜合以上因素，所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人采用單個(gè)主推進(jìn)器、2個(gè)垂推推進(jìn)器和2個(gè)側(cè)推推進(jìn)器組合的方式，增加系統(tǒng)的運(yùn)動靈活性和自主控制能力。

推進(jìn)器的布局按照下面2個(gè)原則[10]進(jìn)行：

1)應(yīng)盡可能的使三軸的合力交匯于一點(diǎn)，而且這點(diǎn)應(yīng)盡可能的接近機(jī)器人的重心，防止有害的附加運(yùn)動給系統(tǒng)帶來控制上的麻煩。

2)平移運(yùn)動時(shí)，理論上推進(jìn)器的布置與機(jī)體坐標(biāo)系保持平行，能夠取得最大的推進(jìn)效率，但是水下機(jī)器人空間有限，設(shè)備布置比較密集，所以推進(jìn)器的入流會受到遮擋的影響，使推進(jìn)器的效率降低。為了改善這種情況，將推進(jìn)器的軸線與坐標(biāo)軸線之間留一個(gè)小的角度，這個(gè)角度可取5°～10°，而cos 5°～cos 10°仍接近于1，故而推力不會損失太大，不僅改善了入流情況，還會提高推進(jìn)器的效率。

1.4 控制系統(tǒng)

水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用集中控制方式，中心控制器為高性能的PC104，通過通訊擴(kuò)展卡與分系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和任務(wù)控制，完成系統(tǒng)電源檢測、圖像采集、全局路徑軌跡規(guī)劃、視覺導(dǎo)航、姿態(tài)控制等任務(wù)?？刂葡到y(tǒng)組成框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)組成框圖

1.5 推進(jìn)器控制驅(qū)動系統(tǒng)

如圖3所示，推進(jìn)器的控制系統(tǒng)以DSP為核心，完成對各種信號的處理以及系統(tǒng)控制，通過串行通訊接口與PC104進(jìn)行通訊，獲得深度、姿態(tài)及速度信息，同時(shí)上傳各推進(jìn)器的速度信息。為了使推進(jìn)器更加有效進(jìn)行控制，每個(gè)驅(qū)動器都以飛思卡爾單片機(jī)為核心組成速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。DSP以PWM方波形式向各驅(qū)動器發(fā)送推進(jìn)器速度控制命令，飛思卡爾單片機(jī)通過捕獲的方式獲得命令后，發(fā)送PWM方波到MOS管組成驅(qū)動模塊上控制推進(jìn)器進(jìn)行運(yùn)動，同時(shí)檢測推進(jìn)器的三相電流變化測量推進(jìn)器的運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器的速度閉環(huán)控制。

1.6 速度及深度檢測系統(tǒng)

水下機(jī)器人采用多普勒計(jì)程儀作為系統(tǒng)速度檢測模塊。利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測量水下機(jī)器人相對于水底的航速和累計(jì)航程。這種計(jì)程儀準(zhǔn)確性好，靈敏度高，可測縱向和橫向速度，但價(jià)格昂貴。主要用于巨型船舶在狹水道航行、進(jìn)出港、靠離碼頭時(shí)提供船舶縱向和橫向運(yùn)動的精確數(shù)據(jù)。多普勒計(jì)程儀受作用深度限制，超過數(shù)百米時(shí)，只能利用水層中的水團(tuán)質(zhì)點(diǎn)作反射層，變成對水計(jì)程儀。

2 基于DSP控制器的控制回路設(shè)計(jì)

2.1 深度控制回路的PID控制

水下機(jī)器人的定深系統(tǒng)是通過深度計(jì)反饋的電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成深度信號，通過調(diào)整垂直方向的推進(jìn)器，使深度達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)，其控制回路框圖如圖4所示。

圖4 定深控制回路

圖中：Di為深度輸入，Do為深度輸出，典型的PID調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)定深的控制器，根據(jù)上圖可得到：

(1)

式中:KP、Ki和Kd是PID調(diào)節(jié)器系數(shù)。為了保證響應(yīng)速度快和精度準(zhǔn)，可以根據(jù)當(dāng)前誤差信號的大小改變比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)：

(2)

(3)

(4)

其中誤差信號數(shù)值是根據(jù)實(shí)際所用的深度測量傳感器的精度所決定的，以試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，在誤差信號大于0.5 m時(shí)，將積分環(huán)節(jié)的積分系數(shù)變?yōu)榱?，增大比例系?shù)，將微分系數(shù)也置為零，這樣可以提高系統(tǒng)的快速性；在誤差信號小于0.5 m時(shí)，加上積分環(huán)節(jié)，減小比例系數(shù)，將微分系數(shù)去除一個(gè)合適的正數(shù)(通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證選取)，提高系統(tǒng)精度。

2.2 速度控制回路的PID控制

水下機(jī)器人的速度檢測裝置是通過脈沖計(jì)數(shù)的原理，根據(jù)計(jì)數(shù)時(shí)間計(jì)算出當(dāng)前的速度，為了使其達(dá)到一個(gè)給定的速度運(yùn)動狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)的速度控制回路也采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器作為閉環(huán)系統(tǒng)的控制裝置。其速度控制方框圖如圖5所示。

圖5 速度控制回路

圖中：Ui為速度輸入，Uo為速度輸出，本文采用典型的PID調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)定深的控制器，可得：

(5)

為了保證響應(yīng)速度快和精度準(zhǔn)，可以根據(jù)當(dāng)前誤差信號的大小改變比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)：

(6)

(7)

(8)

其中誤差信號的確定是根據(jù)實(shí)際所用的速度測量傳感器精度所決定的，但是要以實(shí)際的試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，因此在誤差信號大于0.2 m/s的時(shí)候，將積分環(huán)節(jié)的積分系數(shù)變?yōu)榱?，增大比例系?shù)，將微分系數(shù)也置為零，這樣可以提高系統(tǒng)的快速性。在誤差信號小于0.2 m/s時(shí)候，加上積分環(huán)節(jié)，減小比例系數(shù)，將微分系數(shù)去除一個(gè)合適的正數(shù)(通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證選取)，提高系統(tǒng)的精度。

2.3 定位控制回路的PID控制

定位控制能使水下機(jī)器人準(zhǔn)確進(jìn)入某個(gè)平面位置并保持在該位置，水下機(jī)器人的定位控制是通過捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的位置信息和上位機(jī)下達(dá)的目標(biāo)信息相互比較，將兩個(gè)位置誤差(xe,ye,ze)作為控制器的輸入值，通過控制器控制升降推進(jìn)器、舵機(jī)和主推進(jìn)器減少其誤差值，直到為零，其定位控制回路框圖如圖6所示。

圖6 定位控制回路

圖6中的(xo,yo,zo)為導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的實(shí)際值，(xi,yi,zi)為控制系統(tǒng)的給定值，本文采用典型的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行定位控制，根據(jù)上圖可得到如下控制規(guī)律：

(9)

式中：Xc、Yc、Zc為PID控制器的輸出和被控對象的輸入，KP1、KP2、KP3為3個(gè)坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，Ki1、Ki2、Ki3為3個(gè)坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)，Kd1、Kd2、Kd3為3個(gè)坐標(biāo)軸調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)。在控制過程中，3個(gè)坐標(biāo)軸是獨(dú)立的分量，在進(jìn)行定位時(shí)，推力分配也同樣單獨(dú)進(jìn)行的，其系數(shù)調(diào)節(jié)控制規(guī)律如下(以X軸為例)：

(10)

(11)

(12)

其中誤差信號值是根據(jù)實(shí)際所用的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度所決定，但是要以實(shí)際的試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，因此在誤差信號大于0.2 m/s的時(shí)候，將積分環(huán)節(jié)的積分系數(shù)變?yōu)榱?，增大比例系?shù)，將微分系數(shù)也置為零，這樣可以提高系統(tǒng)的快速性。在誤差信號小于0.2 m/s時(shí)候，加上積分環(huán)節(jié)，減小比例系數(shù)，將微分系數(shù)去除一個(gè)合適的正數(shù)(通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證選取)，提高系統(tǒng)的精度。

3 運(yùn)動控制試驗(yàn)

水下機(jī)器人的航行性能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)其他運(yùn)動功能的保證，所以航行性能試驗(yàn)在水下機(jī)器人試驗(yàn)中占居重要地位，也是檢驗(yàn)運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)。

為了檢驗(yàn)水下機(jī)器人在航行中運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能，做了大量的航行試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。進(jìn)行水下試驗(yàn)的環(huán)境為：水聲聲道水池，長20 m，寬4 m，水深2 m，水池內(nèi)水域情況良好，滿足試驗(yàn)條件。

圖7 水下機(jī)器水池中航行

3.1 水平面航行試驗(yàn)

將水下機(jī)器人放置到水池中，使其能夠在水中保持漂浮狀態(tài)，然后通過上位機(jī)傳送控制命令，使推進(jìn)器在一定轉(zhuǎn)速下工作，通過控制不同位置的推進(jìn)器完成水下機(jī)器人直線航行、側(cè)推航行和轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)。

3.1.1 直線航行試驗(yàn)

水下機(jī)器人在水池中處于漂浮狀態(tài)時(shí)，控制主推進(jìn)器工作，使它保持一定轉(zhuǎn)速推動水下機(jī)器人能夠在水中做直線運(yùn)動。

試驗(yàn)中通過PC機(jī)記錄試驗(yàn)過程中水下機(jī)器人的航速、位置信息和深度信息，通過與設(shè)定的直線航跡對比如圖8所示。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，采用單推進(jìn)器進(jìn)行直線航行，運(yùn)動誤差達(dá)到1.38 m，運(yùn)動誤差較大，原因在于水下機(jī)器人外殼體設(shè)計(jì)加工的偏差產(chǎn)生阻力不均，以及水下擾動影響，會使航行偏差較大，為此需要進(jìn)行側(cè)向推進(jìn)器進(jìn)行輔助，才能滿足直線航行運(yùn)動要求。

圖8 直線航行時(shí)軌跡比較

3.1.2 側(cè)移航行試驗(yàn)

試驗(yàn)中，通過PC機(jī)記錄了運(yùn)動的位置、速度和深度信息，與所設(shè)定的側(cè)移運(yùn)動航跡相比較的軌跡圖如圖9所示。圖中最大運(yùn)動誤差在0.2 m內(nèi)，采用雙推進(jìn)器能夠完成側(cè)移運(yùn)動，保證運(yùn)動控制精度。

圖9 水下機(jī)器人側(cè)移時(shí)航線

圖10 水下機(jī)器人轉(zhuǎn)向航線

水下機(jī)器人在水池中保持漂浮狀態(tài)，通過PC機(jī)發(fā)送命令，使側(cè)面的2個(gè)推進(jìn)器同步工作，但是要轉(zhuǎn)向相反，就可達(dá)到轉(zhuǎn)向航行的功能。并且這樣轉(zhuǎn)向大大縮小了轉(zhuǎn)彎半徑。轉(zhuǎn)向航行試驗(yàn)中，PC機(jī)通過記錄位置，速度和深度信息，與所設(shè)定的航行軌跡相比較的圖10。

從圖中控制軌跡線可以看出，實(shí)際轉(zhuǎn)向軌跡和預(yù)定軌跡吻合，滿足控制精度要求。

3.2 垂直面航行試驗(yàn)

將水下機(jī)器人放置到水池中，使其保持漂浮狀態(tài)，通過PC機(jī)發(fā)送指令控制升降推進(jìn)器工作，當(dāng)水下機(jī)器人下降到一定深度，升降推進(jìn)器停止工作，使其保持在一定的深度位置。

通過試驗(yàn)記錄的深度計(jì)數(shù)據(jù)和航向數(shù)據(jù)，與所設(shè)定的軌跡相比較結(jié)果如圖11所示。

(a)縱深航線

(b)側(cè)深航線

從圖中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，運(yùn)動控制精度在0.1 m左右，滿足實(shí)際控制要求。

4 結(jié)論

1) 研制的微小型自主式水下機(jī)器人采用單個(gè)主推進(jìn)器、雙側(cè)推進(jìn)器、雙垂推進(jìn)器的組合方式，來完成海洋環(huán)境的適應(yīng)和自主運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)。

2) 將復(fù)雜多輸入多輸出控制系統(tǒng)分解成3個(gè)

分控制系統(tǒng)：深度控制回路、速度控制回路、定位控制回路，減少控制系統(tǒng)的耦合程度，降低控制算法的難度。

3) 通過水下運(yùn)動控制試驗(yàn)結(jié)果表明：采用3個(gè)分控制系統(tǒng)能夠在側(cè)向移動、轉(zhuǎn)向、升降運(yùn)動保持控制精度，在直線航行運(yùn)動誤差較大，需其他推進(jìn)器進(jìn)行輔助可滿足運(yùn)動控制精度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉芙蓉,陳輝.自主式水下潛器研究開發(fā)綜述[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2008,30(5):20-23.

LIU Furong, CHEN Hui. A review of the development and research of autonomous underwater vehicles[J]. Ship Science and Technology, 2008,30(5):20-23.

[2]徐玉如,李彭超.水下機(jī)器人發(fā)展趨勢[J].自然雜志,2011,33(3):125-132.

XU Yuru, LI Pengchao. Trend in the develoment of underwater vehicles[J].Chinese Journal of Nature,2011，33(3):125-132.

[3]徐建安,王玉甲,張銘鈞. 自主式水下機(jī)器人試驗(yàn)平臺研制與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2007,28(2):212-217.

XU Jian'an,WANG Yujia, ZHANG Mingjun. Development and experiment of an autonomous underwater vehicle test-bed[J]. Journal of Harbin Engineering University,2007,28(2):212-217.

[4]徐玉如，龐永杰，甘永，等.智能水下機(jī)器人技術(shù)展望[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報(bào),2006,1(1):9-16.

XU Yuru, PANG Yongjie， GAN Yong, et al. AUV state of the art and propect[J]. CAAI Transactions on Intelligent Systems,2006,1(1):9-16.

[5]王芳,萬磊,李曄,等.欠驅(qū)動AUV的運(yùn)動控制技術(shù)綜述[J].中國造船,2010,51(2):227-237.

WANG Fang, WAN Lei, LI Ye,et al.Under technical review AUV driver control movement. Shipbuilding of China. 2010,51(2):227-237.

[6]YUH J, NIE Jing. Applieation of non-repressor-based adaptive control to underwater robots[J]. Computer and Electrical Engineering, 2000,26:169-179.

[7]Bruce Powel Douglass. Real-time UML[R]. Boston:Addison Wesley,2004.

[8]李開生,張慧慧,費(fèi)仁元,等.機(jī)器人控制其體系結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].機(jī)器人,2000,22(3):235-240.

LI Kaisheng, ZHANG Huihui, FEI Renyuan,et al. Present situation and development of the research on the architecture of robot control[J]. Robot,2000,22(3):235-240.

[9]MILLER D J, LENNOX R C. An object-oriented environment for robotsystem architecture[J]. IEEE Control System,1991 ,11(2):14-23.

[10]蔣新松,封錫盛.水下機(jī)器人[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2000:277-278.