海洋工程水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與清污機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

劉海艦，曾慶軍，宋振文，梁 凇，常 路，張 明，陳 偉

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

海洋工程水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與清污機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

劉海艦，曾慶軍*，宋振文，梁 凇，常 路，張 明，陳 偉

(江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

針對(duì)自主研發(fā)的水下檢測(cè)與清污機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)分水面控制系統(tǒng)和水下控制系統(tǒng)兩大部分，水面控制系統(tǒng)主要包括PC機(jī)、控制箱、臍帶纜、控制搖桿等設(shè)備．水下控制系統(tǒng)包括嵌入式微控制器、視覺照明模塊、安全保護(hù)模塊、傳感器模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、供電模塊等部分．并對(duì)控制系統(tǒng)的軟件硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建立了縱向和艏向動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)ROV結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)等簡化模型;設(shè)計(jì)了一種新穎的結(jié)合PID控制的約束輸入輸出的直接廣義預(yù)測(cè)控制算法，并對(duì)水下機(jī)器人的艏向和縱向運(yùn)動(dòng)展開研究．仿真結(jié)果表明，該算法具有穩(wěn)定性好、自適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的控制效果．

水下機(jī)器人;控制系統(tǒng);動(dòng)力學(xué)模型;廣義預(yù)測(cè)控制

海洋工程水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與清污機(jī)器人，是有纜遙控水下機(jī)器人(remotely operated vehicle，ROV)的一種，具有機(jī)動(dòng)靈活、動(dòng)力充沛、作業(yè)深度大、續(xù)航力強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于水下觀察、海洋勘探、海洋平臺(tái)的安裝與維修、海洋管線的鋪設(shè)與檢修以及水下考古等作業(yè)［1－3］．ROV通過臍帶纜與水面聯(lián)系，既可執(zhí)行傳統(tǒng)的水下任務(wù)，又可實(shí)現(xiàn)近距離結(jié)構(gòu)檢測(cè)，以及水下結(jié)構(gòu)物、堤壩、船底等清污作業(yè)［4－5］．因此，開展海洋工程水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與清污機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究對(duì)于海洋工程的發(fā)展具有十分重要的意義．

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人控制系統(tǒng)由水面控制系統(tǒng)和水下控制系統(tǒng)兩部分組成．水面控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、鼠標(biāo)、搖桿和水面控制臺(tái)，其中將電源和通信設(shè)備集中于一個(gè)機(jī)箱以成為便攜式水面控制箱，上位機(jī)軟件和輸入設(shè)備裝在筆記本電腦上，遠(yuǎn)程控制水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)顯示水下傳感信息和視頻信息，其中包含水面控制臺(tái)和通信接口方案設(shè)計(jì)．水下控制系統(tǒng)接收水面系統(tǒng)的控制指令，并返回水下傳感器所接收的信息，其核心是嵌入式微控制器，外圍元器件為視覺照明模塊、安全保護(hù)模塊、傳感器模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、供電模塊．水面控制系統(tǒng)采用VB開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，RS485總線通過臍帶纜與K60芯片作為主控芯片的水下控制系統(tǒng)進(jìn)行通信．ROV水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1．

圖1 ROV水下機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Control system structure of ROV

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 水面硬件系統(tǒng)

ROV水面控制臺(tái)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人狀態(tài)信息和視頻圖像，同時(shí)采集控制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)傳送到下位機(jī)控制單元．上位機(jī)通過USB接口作為搖桿接入使用，搖桿可以控制機(jī)器人前進(jìn)后退、左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、上浮下潛、定深等功能．文中采用EasyCap視頻采集卡，傳輸差分視頻信號(hào)經(jīng)過雙絞線視頻傳輸器，輸出AV信號(hào)到采集卡的AV口，通過程序調(diào)用控件進(jìn)行視頻顯示．水面控制箱內(nèi)裝有220V交流轉(zhuǎn)24V大功率直流電源，用于機(jī)器人本體供電，并安裝了一個(gè)USB轉(zhuǎn)RS485通信模塊，實(shí)現(xiàn)與水下控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換．

2.2 水下硬件系統(tǒng)

水下硬件系統(tǒng)控制板采用飛思卡爾MK60DN512ZVLQ10芯片為CPU，另外包括UART串口通信模塊、FTM彈性定時(shí)器模塊、PIT周期中斷定時(shí)器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、SDHC模塊和GPIO模塊等．

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 水面軟件系統(tǒng)

ROV水面控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采集搖桿和鍵盤鼠標(biāo)信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換成控制指令傳送給水下機(jī)器人水下控制系統(tǒng)，同時(shí)顯示水下攝像機(jī)視頻圖像以及各種狀態(tài)信息．上位機(jī)監(jiān)控軟件主要包括:監(jiān)控機(jī)模塊，負(fù)責(zé)視頻圖像采集、攝像、拍照、壓縮和保存;控制模塊，負(fù)責(zé)接收鍵鼠、電腦觸摸板、搖桿的信息，以及根據(jù)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)模式設(shè)置不同的推進(jìn)器推力數(shù)據(jù)，將其發(fā)送到水下控制系統(tǒng);特征信息模塊，用于顯示深度、慣性導(dǎo)航等數(shù)據(jù)，并保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫以表格形式導(dǎo)出;報(bào)警模塊，顯示溫度、濕度、漏水、過壓、過流等報(bào)警信息，以及超過閥值的信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警，并把報(bào)警數(shù)據(jù)存進(jìn)電子表格．

3.2 水下軟件系統(tǒng)

ROV水下軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2．下位機(jī)軟件程序分為主程序和中斷程序兩部分，主程序是處理器在96MHz主頻下循環(huán)運(yùn)行，主要有系統(tǒng)初始化程序、報(bào)警信號(hào)采集程序、慣導(dǎo)數(shù)據(jù)處理程序、推進(jìn)器控制程序、繼電器控制程序等．中斷程序用于提高處理器對(duì)任務(wù)事件的處理能力和實(shí)時(shí)性，主要包括以下3個(gè):

1)上位機(jī)RS485通信程序．需要調(diào)用串口中斷，并且優(yōu)先級(jí)比較高，實(shí)時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)．

2)慣導(dǎo)接收程序．用來接收設(shè)計(jì)的慣性導(dǎo)航模塊的數(shù)據(jù)，它們之間采用串口通信．

3)定時(shí)器中斷程序．定時(shí)器用來對(duì)RS485通信進(jìn)行定時(shí)復(fù)位，在中斷中有個(gè)計(jì)數(shù)標(biāo)志位，如果計(jì)數(shù)器達(dá)到計(jì)數(shù)閥值，則計(jì)數(shù)標(biāo)志位復(fù)位;當(dāng)RS485通信出現(xiàn)故障或者通信超時(shí)，沒有及時(shí)復(fù)位計(jì)數(shù)標(biāo)志位，那么在這個(gè)定時(shí)器中斷中，會(huì)把RS485通信接收標(biāo)志復(fù)位，重新接收，大大提高了通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力．

圖2 下位機(jī)軟件程序結(jié)構(gòu)Fig．2 Structure of lower computer software

4 水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型與廣義預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

以自主研制的水下機(jī)器人本體為研究對(duì)象，建立基于牛頓－歐拉方程的水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型做相應(yīng)簡化和變換，使之適用于常規(guī)廣義預(yù)測(cè)控制．

4.1 定義坐標(biāo)系

根據(jù)國際水池會(huì)議(ITTC)推薦的以及造船和輪機(jī)工程學(xué)會(huì)(SNAME)術(shù)語公報(bào)推薦的坐標(biāo)系統(tǒng)，建立圖3所示的兩種基本坐標(biāo)系:固定坐標(biāo)系E－ξηζ和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系G－xyz，各坐標(biāo)系按右手系確定．

圖3ROV坐標(biāo)系Fig．3 Coordinate system of ROV

4.2 ROV動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型

1)運(yùn)動(dòng)參數(shù)定義

ROV在水中做6個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，分別為三軸移動(dòng)和三軸旋轉(zhuǎn)．水下機(jī)器人的位置和姿態(tài)，可以用運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系G－xyz的原點(diǎn)在固定坐標(biāo)系E－ξηζ上的坐標(biāo)值(ξ0，η0，ζ0)和動(dòng)系相對(duì)于定系的3個(gè)歐拉角(ψ，θ，φ)來確定［6］，具體參數(shù)含義如表1．

表1 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 1Dynamics and kinematics parameters of the ROV

2)動(dòng)力學(xué)模型

常用下述模型描述水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性［7］:

3)簡化模型參數(shù)

文中對(duì)六自由度水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型在一定程度上簡化．由于該水下機(jī)器人航速較低，可忽略科氏及向心力;主要運(yùn)動(dòng)包括前進(jìn)、后退、上浮、下潛和轉(zhuǎn)艏，忽略橫傾和縱傾;其運(yùn)動(dòng)方式可看作為單自由度運(yùn)動(dòng)，各自由度之間粘性耦合較小;運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)和水下機(jī)器人重心基本重合．設(shè)ROV重力和浮力分別為G，B，慣性量為I，推進(jìn)器推力為τ，簡化后的模型為［8］:

4)模型辨識(shí)及離散化

基于Fluent軟件對(duì)ROV的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到不同航態(tài)下對(duì)應(yīng)的阻力，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2．

表2 不同航速下的阻力分布Table 2 Resistance state distribution of different direction and speed

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用最小二乘法辨識(shí)模型參數(shù)，得到縱向和艏向動(dòng)力學(xué)模型分別為:

4.3 廣義預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

4.3.1 基本廣義預(yù)測(cè)控制

在廣義預(yù)測(cè)控制(generalized predictive control，GPC)中，常采用最小方差控制中所用的受控自回歸積分滑動(dòng)平均(CARIMA)模型描述受到隨機(jī)干擾的對(duì)象［9］:

為避免直接跟蹤參考序列導(dǎo)致震蕩和瞬態(tài)響應(yīng)下降，采用下列一階濾波，使被控對(duì)象輸出柔性地趨向設(shè)定值r:式中:KP，TI，TD分別為比例、積分、微分常數(shù);ek，ek－1，ek－2為輸出誤差;T為采樣周期．

5 ROV水下機(jī)器人仿真試驗(yàn)

水下機(jī)器人在近水面航行時(shí)，主要受海流(current)和波浪(wave)影響．由于航行速度和時(shí)間有限，航行水域也較小，可以近似認(rèn)為海流不變［11］．而波浪的運(yùn)動(dòng)是較為復(fù)雜的隨機(jī)過程，常利用PM譜(pierson-moskowitz spectrum)進(jìn)行分析、計(jì)算波浪運(yùn)動(dòng)．

PM譜在實(shí)際使用時(shí)難以預(yù)知，為簡便起見，以縱向?yàn)槔?，采用如下方程簡單描述波浪運(yùn)動(dòng):

式中:ai為波浪幅值，ki為波數(shù)，ωi和εi分別為頻率和初相．其在水平和垂直方向上的速度為:

5.1 艏向自由度運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

艏向運(yùn)動(dòng)模型為:

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下:

預(yù)測(cè)時(shí)域N0=1，N1=10;控制時(shí)域Nu=2;遺忘因子ρ=0.995;輸出柔化系數(shù)α=0.1;輸入柔化系數(shù)β=0.41;正定陣P=1 000 000 I．

PID整定時(shí)，選擇KP=5，TI=1，TD=0．

在受到波浪擾動(dòng)時(shí)，分別采用廣義預(yù)測(cè)與PID-GPC算法對(duì)艏向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，其中y為艏向輸出量，F(xiàn)為艏向推力，結(jié)果如圖4，5．

圖4 艏向廣義預(yù)測(cè)控制輸出、推進(jìn)器輸入Fig．4 System output and thruster input of GPC to heading angle

圖5 艏向PID-GPC輸出、推進(jìn)器輸入Fig．5 System output and thruster input of PID-GPC to heading angle

5.2 縱向自由度運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

縱向速度模型為:

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下:

預(yù)測(cè)時(shí)域N0=1，N1=12;控制時(shí)域Nu=4;遺忘因子ρ=1;輸出柔化系數(shù)α=0.1;輸入柔化系數(shù)β=0.53;正定陣P=100 000 I．

PID整定時(shí)，選取KP=2，TI=0.2，TD=0.1．

在無限深廣的靜水中，加入波浪干擾，分別采用廣義預(yù)測(cè)與PID-GPC算法對(duì)ROV縱向仿真，其中y為縱向輸出量，F(xiàn)為縱向推力，得到如圖6，7．

圖6 縱向廣義預(yù)測(cè)控制輸出、推進(jìn)器輸入Fig．6 System output and thruster input of GPC to longitudinal angle

圖7 縱向PID-GPC輸出、推進(jìn)器輸入Fig．7 System output and thruster input of PID-GPC to longitudinal angle

由圖6，7可知，在應(yīng)用廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)對(duì)水下機(jī)器人艏向、縱向進(jìn)行控制時(shí)，輸入在短時(shí)間內(nèi)頻繁的劇烈波動(dòng)，容易造成后續(xù)控制失效，說明對(duì)于ROV艏向、縱向的控制，單純采用廣義預(yù)測(cè)將導(dǎo)致前期控制大幅震蕩．引入PID后，控制效果(包括輸入和輸出)明顯得到改善，輸入轉(zhuǎn)矩波動(dòng)程度得到有效減小，對(duì)應(yīng)的初始輸出變化更加平緩，魯棒性較好，優(yōu)于單獨(dú)使用PID或廣義預(yù)測(cè)控制算法．

6 結(jié)論

文中針對(duì)自主研發(fā)的水下檢測(cè)與清污機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套控制系統(tǒng)．該系統(tǒng)分水面控制系統(tǒng)和水下機(jī)器人本體兩大部分，并以ROV為研究對(duì)象，建立動(dòng)力學(xué)模型，根據(jù)水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡化模型．以基本廣義預(yù)測(cè)控制為基礎(chǔ)，研究和應(yīng)用約束輸入輸出的廣義預(yù)測(cè)直接算法，使用增量式PID改善GPC控制效果，仿真結(jié)果表明本方法的有效性及抗干擾能力．

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(責(zé)任編輯:曹 莉)

Research on the control system of the marine engineering structure underwater detection and cleaning robot

Liu Haijian，Zeng Qingjun*，Song Zhenwen，Liang Song，Chang Lu，Zhang Ming，Chen Wei
(School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003，China)

For a self-develop underwater detection and cleaning robot，we designed a control system．The control system consists of water control and underwater control parts．The water part mainly contains the PC，control box，umbilical cable，control rocker and other equipment．The underwater control part includes embedded micro controller，visual lighting module and security module，sensor module，motion module and power supply module．In this paper，we designed hardware and software，and establish longitudinal and heading dynamic models，then simplify the model according to the function and structure features of ROV．Combined with PID control algorithm，a new generalized predictive control algorithm with input and output constraints is designed to study which function in the movements relative to longitudinal and heading degree．The simulation results show that this algorithm has such advantages as good stability and strong self-adapting，and it has great control effects as a whole．

remotely operated vehicle;control system;dynamic model;generalized predictive control

TP24

:A

:1673－4807(2015)05－0443－06

10．3969/j．issn．1673－4807．2015．05．007

2015－03－25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11204109);江蘇省高校技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(1634871401－1);江蘇省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14KJB510008)

劉海艦，碩士研究生．*通信作者:曾慶軍(1969—)，男，博士，教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制理論與應(yīng)用、現(xiàn)代化測(cè)控與智能系統(tǒng)．E-mail:zheng 28501@163．com

劉海艦，曾慶軍，宋振文，等．海洋工程水下結(jié)構(gòu)與清污機(jī)器人控制系統(tǒng)研究［J］．江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，29(5): 443－448．