基于PC104的遙控多功能水下機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

胡 測(cè)，張 皓，王光越，陶元中

（中船重工第七一〇研究所,湖北 宜昌 443003）

隨著世界進(jìn)入“海洋時(shí)代”，海洋爭(zhēng)奪進(jìn)入白熱化，世界各國(guó)對(duì)海洋裝備越來(lái)越重視，紛紛搶占海洋裝備的制高點(diǎn)，從而贏得先機(jī)。水下機(jī)器人是海洋觀測(cè)，水下作業(yè)的重要載體和平臺(tái)，是重要的海洋工程裝備，現(xiàn)成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)[1-2]。在水下機(jī)器人研究領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)成功地開發(fā)出不少水下機(jī)器人產(chǎn)品應(yīng)用于工程實(shí)踐[3]。遙控機(jī)器人(ROV)是水下機(jī)器人的重要一種，主要用于各種沉物的搜索打撈。此外還應(yīng)用于港口、航道勘察、大壩檢修、海洋科考、海洋儀器的運(yùn)載和定點(diǎn)布放以及水下作業(yè)等領(lǐng)域[4]。

本文設(shè)計(jì)的遙控水下機(jī)器人是一種多功能、模塊化水下機(jī)器人,主要用于水下目標(biāo)探測(cè)、大壩檢修、水下打撈、水文觀測(cè)以及海洋傳感器的搭載試驗(yàn)。該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，由綜合控制模塊、探測(cè)識(shí)別模塊、能源模塊、電力分配模塊、打撈作業(yè)模塊以及載荷模塊構(gòu)成。上述模塊獨(dú)立成艙體或系統(tǒng)，通過(guò)水密電纜連接，合理布置于框架上，可根據(jù)需要快速重構(gòu)機(jī)器人。

1 遙控多功能水下機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

遙控多功能水下機(jī)器人采用框架式結(jié)構(gòu)，可利用探測(cè)識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)水下探測(cè)，利用打撈作業(yè)模塊配置的五功能液壓機(jī)械手和專用打撈工具開展水下精細(xì)作業(yè)、輕載打撈、重載打撈等任務(wù)，還可根據(jù)實(shí)際需求利用剩余浮力（設(shè)計(jì)剩余浮力150 kg）和空間，調(diào)整載荷模塊快速構(gòu)建其他需求機(jī)器人，因此該機(jī)器人具有多功能性。機(jī)器人系統(tǒng)如圖1。

圖1 遙控多功能水下機(jī)器人

1.2 基于PC104的模塊化綜合控制系統(tǒng)

遙控多功能水下機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)多樣性，功能模塊化，則要求綜合控制系統(tǒng)不僅有高性能、高可靠性、結(jié)構(gòu)靈活的硬件，還需高性能運(yùn)動(dòng)控制的軟件，以有效控制分布在各位置的傳感器動(dòng)作以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。綜合控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以總線為通信標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)水密接插件與其他模塊互聯(lián)通信。

為保證綜合控制模塊的控制性能，設(shè)計(jì)了以PC104為核心的綜合控制模塊，外圍配置串行總線通訊模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、繼電器組模塊實(shí)現(xiàn)串行通信、A/D采集、開關(guān)量I/O、D/A輸出、繼電器控制等功能，從而完成電源檢測(cè)與管理、圖像采集與識(shí)別、姿態(tài)控制、航行控制、機(jī)械手控制等任務(wù)[5]。遙控多功能水下機(jī)器人傳感器眾多，各傳感器設(shè)備與主控制器之間多采用網(wǎng)口或串口進(jìn)行信息交互。遙控多功能水下機(jī)器人大部分傳感器有自己的處理器，能進(jìn)行自身故障診斷，將診斷結(jié)果傳送給主控制器。主控制器根據(jù)故障等級(jí)與類型進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急處理。綜合控制模塊控制原理如圖2。

圖2 遙控多功能水下機(jī)器人綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3 推進(jìn)模塊

為減少機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)的耦合以及附加運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的綜合控制模塊設(shè)計(jì)難度，保證機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)能力，水平方向采用四推進(jìn)器環(huán)形45°矢量布置，以兼顧機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左右平移，轉(zhuǎn)彎的機(jī)動(dòng)性能和運(yùn)動(dòng)速度。垂直方向上以重心線為對(duì)稱軸，60°對(duì)稱布置兩個(gè)推進(jìn)器，保證系統(tǒng)垂直運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)[6]。推進(jìn)器布置方式見圖3。

圖3 遙控多功能水下機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)布局

2 基于PC104的自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制能力是遙控水下機(jī)器人的重要性能指標(biāo)。綜合控制模塊通過(guò)設(shè)計(jì)合理的控制器實(shí)現(xiàn)航向、深度的自動(dòng)控制，保證控制器要有較強(qiáng)的魯棒性、較優(yōu)的控制能力。

2.1 深度PID控制器設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人的定深控制系統(tǒng)是深度計(jì)反饋的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流環(huán)采集、AD轉(zhuǎn)換變成深度信號(hào)，控制系統(tǒng)將采集的深度信號(hào)轉(zhuǎn)換成深度數(shù)據(jù)。設(shè)定工作深度后，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)將設(shè)定值與當(dāng)前值比較，將結(jié)果輸入到深度控制器，控制器通過(guò)算法運(yùn)算后輸出調(diào)節(jié)參數(shù)，控制系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)垂直推進(jìn)器轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人穩(wěn)定在預(yù)定深度[7-8]，控制器如圖4。

圖4 深度控制器原理圖

圖中ΔD為深度差值，當(dāng)深度與預(yù)設(shè)值發(fā)生偏差時(shí)，自動(dòng)通過(guò)PID控制器修正深度控制推進(jìn)器轉(zhuǎn)速和方向。PID控制器調(diào)節(jié)公式為：

式中：kp，ki，kd為 PID 控制器參數(shù)；D0為目標(biāo)深度；Di為當(dāng)前深度；Di-1為前一次深度；Di-2為前兩次深度；通過(guò)調(diào)節(jié)kp，ki，kd的值可以使深度控制器響應(yīng)快速、深度保持穩(wěn)定。試驗(yàn)中首先在靜水中調(diào)節(jié)參數(shù)kp，使深度變化響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)并減小穩(wěn)態(tài)誤差，之后在擾動(dòng)環(huán)境下調(diào)節(jié)參數(shù)kd，使深度控制器收斂速度最優(yōu)。參數(shù)kp，kd確定后調(diào)節(jié)參數(shù)ki，增強(qiáng)控制器魯棒性，通過(guò)調(diào)節(jié)最優(yōu)PID參數(shù)為：kp=10，kd=5，ki=5。

2.2 航向PID控制器設(shè)計(jì)

航向控制精度是水下機(jī)器人的重要參數(shù)，遙控多功能水下機(jī)器人的航向角由磁羅經(jīng)輸出。控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集機(jī)器人航向角，并將設(shè)定航向角與采集值實(shí)時(shí)比較，計(jì)算結(jié)果輸入航向控制器，航向控制器輸出結(jié)果后控制系統(tǒng)依據(jù)結(jié)果控制水平電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)航向自動(dòng)控制[9-11]。航向控制器如圖5。

圖5 航向控制器原理圖

本文采用增量式PID控制器，PID調(diào)節(jié)公式如下：

式中：kp,ki,kd為PID控制器參數(shù)；β為調(diào)節(jié)系數(shù)；C0為目標(biāo)航向；Ci為當(dāng)前航向；Ci-1為前一次深度航向；Ci-2為前兩次航向。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定一航向偏差閾值，當(dāng)航向偏差較大時(shí)采用PD控制，當(dāng)航向偏差較小時(shí)采用PID控制，以增強(qiáng)航向控制器的收斂性和魯棒性。先在靜水中調(diào)節(jié)參數(shù)kp使控制器收斂性達(dá)到最優(yōu)，再在由水流擾動(dòng)情況下調(diào)節(jié)參數(shù)kd提高控制器收斂速度，通過(guò)湖上復(fù)雜水環(huán)境試驗(yàn)調(diào)節(jié)參數(shù)ki增強(qiáng)控制器魯棒性，通過(guò)試驗(yàn)最優(yōu)的PID 參數(shù)為：kp=20，kd=5，ki=15。

3 航行控制試驗(yàn)

水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制性能是實(shí)現(xiàn)其他功能的重要基礎(chǔ)，也是檢驗(yàn)控制器設(shè)計(jì)是否合理的重要依據(jù)。為了驗(yàn)證遙控多功能水下機(jī)器人控制性能，開展了湖上試驗(yàn)和海上試驗(yàn)。

3.1 深度控制能力試驗(yàn)

設(shè)定機(jī)器人水下航行深度3 m，開啟自動(dòng)定深功能，使機(jī)器人在水下保持深度航行，航行時(shí)間120 min,控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制機(jī)器人航速并記錄航行深度數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)深度變化見圖6。

圖6 機(jī)器人深度變化曲線圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)定機(jī)器人航行深度為3 m，機(jī)器人深度保持在2．95～3．05 m，定深誤差為0．05 m，深度控制器具有良好的調(diào)節(jié)能力。

3.2 航向控制能力試驗(yàn)

航向控制器能力試驗(yàn)首先測(cè)試機(jī)器人靜態(tài)情況下航向控制器控制能力，機(jī)器人布放于湖上開闊水域，開啟定向航行功能，使機(jī)器人保持一定速度航行，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人航向角。靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)完畢后，測(cè)試航向控制器動(dòng)態(tài)航向控制能力，機(jī)器人布放于湖上開闊水域，開啟定向航行功能，不斷調(diào)整機(jī)器人定向航行角度和航行速度，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人航向角。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)航向控制器控制水平4個(gè)推進(jìn)器時(shí)，航向角受變化劇烈，收斂速度較慢，且大大影響航行速度，為此航向控制器只控制艏向兩個(gè)水平推進(jìn)器，將艏向推進(jìn)器作為航向調(diào)節(jié)推進(jìn)器，尾部?jī)蓚€(gè)推進(jìn)器為航速推進(jìn)器，航向角變化見圖7。

圖7 ROV定向航行時(shí)航向變化曲線

試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該機(jī)器人靜態(tài)水下航行時(shí)，航向角與目標(biāo)值基本保持一致，由于水流擾動(dòng)機(jī)器人航向產(chǎn)生一定波動(dòng)，但總體誤差范圍為-2°～+3°，且變化周期較大。

為進(jìn)一步驗(yàn)證綜合控制模塊自動(dòng)控制航向的能力開展機(jī)器人動(dòng)態(tài)航向測(cè)試。遙控機(jī)器人全速航行并不斷調(diào)整目標(biāo)航向角（見圖7(b)中紅色線條），此時(shí)，尾部臍帶電纜長(zhǎng)度快速增加，迎流面積增大，臍帶電纜阻力快速增大，同時(shí)全速航行時(shí)水流擾動(dòng)增加，導(dǎo)致航向角劇烈波動(dòng)，但當(dāng)航向控制器逐漸收斂后，航向角趨于穩(wěn)定，與設(shè)定目標(biāo)航向誤差穩(wěn)定在-3°～+3°之間，且航向角變化平緩，收斂速度較快，表明航向控制器具有良好的航向控制能力。

3.3 航行性能試驗(yàn)

選擇開闊水域，控制系統(tǒng)設(shè)定機(jī)器人定向航行，保證機(jī)器人直線行駛，逐漸將機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，實(shí)時(shí)記錄機(jī)器人速度、功率，以及推進(jìn)器轉(zhuǎn)速，測(cè)試機(jī)器人航行性能，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖8。

圖8 速度、功率、推進(jìn)器轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示機(jī)器人航行速度與推進(jìn)器轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，當(dāng)推進(jìn)器達(dá)到最大轉(zhuǎn)速1 800 r/min時(shí)機(jī)器人達(dá)到最大速度。當(dāng)機(jī)器人速度小于2 kn時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)功率與速度正相關(guān)，當(dāng)速度微過(guò)2 kn時(shí)系統(tǒng)功率急劇增大。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)為該類型機(jī)器人推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

4 結(jié)論

本文針對(duì)框架式遙控機(jī)器人智能控制問(wèn)題研制了一種可滿足水下探測(cè)、大壩檢修、水下打撈、海洋儀器搭載的遙控多功能機(jī)器人。針對(duì)智能控制難題，將機(jī)器人多輸入輸出控制系統(tǒng)分解成兩個(gè)互不耦合的航向控制與深度控制系統(tǒng)，減小控制算法設(shè)計(jì)難度，并通過(guò)設(shè)計(jì)深度控制器和航向控制器實(shí)現(xiàn)自主控制。針對(duì)航向控制的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了分離式PID控制器以提高控制器的收斂速度和魯棒性。試驗(yàn)結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠在側(cè)向移動(dòng)、升沉運(yùn)動(dòng)和直線航行中保持較好的控制精度。

[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.

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

[3]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.

[4]魏延輝,田海寶,杜振振,等.微小型自主式水下機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(5):566-570.

[5]査智,盧海洋.運(yùn)用PC104和分布式CAN總線的智能AUV設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,27(8):97-100.

[6]陶元中,賴建云,王歸新,等.打撈器設(shè)計(jì)報(bào)告[R].中船重工第710研究所，2015.

[7]KRAUT W K,SWIENCINSKI H J.Reliability of the mark 7 mod 3 arresting gear[R].American:AD-845390,968.

[8]劉春媚.遙控式水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007,19-21.

[9]萬(wàn)磊，張英浩，孫玉山，等.基于重構(gòu)容錯(cuò)的智能水下機(jī)器人定深運(yùn)動(dòng)控制[J].兵工學(xué)報(bào),2015,36(4):723-729.

[10]白靈.特種ROV設(shè)計(jì)與控制方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2009：51-53.

[11]劉慧婷，馮金金，張明.水下機(jī)器人操縱系統(tǒng)優(yōu)化控制研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2015，33（5）：299-303.