基于海管維修的UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法

郭宇禮，魏延輝，謝吉順，王佐強(qiáng)，章仲怡

（1.渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司，天津300452；2.哈爾濱工程大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

海底管道是儲(chǔ)運(yùn)油氣的重要組成部分，海底管道的正常安全運(yùn)行是海洋油氣生產(chǎn)的重要保障[1]。海底管道常年受到海浪、砂流、海洋生物附著侵蝕以及其他的自然因素影響[2]，需要對管道進(jìn)行及時(shí)的清洗和維修，否則會(huì)降低海底管道的使用年限甚至造成海洋油氣的停運(yùn)或者停產(chǎn)[3]。

海底管道維修主要分為水上和水下兩種維修方式[4]。水上的維修方式直接將水下切割后的管道運(yùn)到岸上進(jìn)行維修，該種修理方法對工程船舶和海況的要求較高，適合淺海地區(qū)的管道修復(fù)[5]。水下管道清洗和維修可以通過潛水人員攜帶專業(yè)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)，但該種方法因水下壓強(qiáng)無法對深海油氣管道進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，只能在深度300 m 以內(nèi)海域進(jìn)行作業(yè)[6]；深海管道的維修往往借助水下運(yùn)載器或機(jī)器人攜帶特種作業(yè)設(shè)備在水下進(jìn)行海管的清理與維修[7-9]。

海底管道主要維修采用安裝管道夾具的方式，將管道的泄露部位外安裝緊固件-夾具，達(dá)到維修管道泄露的目的[10-12]。

水下機(jī)器人由于運(yùn)動(dòng)靈活、作業(yè)深度大和續(xù)航能力被廣泛應(yīng)用于海洋資源的勘探與海管檢測等輕作業(yè)任務(wù)，為增強(qiáng)其作業(yè)能力，部分水下機(jī)器人被裝備了機(jī)械臂去執(zhí)行定點(diǎn)采樣和海管維修等海洋作業(yè)任務(wù)[13-15]。水下機(jī)器人與機(jī)械臂組成的復(fù)合系統(tǒng)也稱為UVMS[16]，現(xiàn)有的UVMS 在對海管進(jìn)行清洗和維修時(shí)，多通過經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的操作人員操作機(jī)械臂完成海管的維修工作，為了提高海管維修作業(yè)的自動(dòng)化程度，降低作業(yè)成本。

從1990年，歐洲的7 個(gè)研究機(jī)構(gòu)以五自由度的ROV 搭載水下機(jī)械臂共同開展UNION 的項(xiàng)目，此項(xiàng)目在研發(fā)的20年間陸續(xù)發(fā)表了很多科研成果，為水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制提供了大量理論基礎(chǔ)[17-19]。21 世紀(jì)，“ALIVE”的UVMS 研究課題在歐盟展開[20]。該研究組選用了四自由度的水下機(jī)器人，同時(shí)搭載了七自由度的水下機(jī)械臂來完成工作。歐盟最近在EC Horizon2020 項(xiàng)目資助下，開展了DexROV 項(xiàng)目，致力于解決海底新的作業(yè)能力的開發(fā)，重點(diǎn)在于解決ROV 遠(yuǎn)距離作業(yè)的通信延遲問題，提高特定背景下機(jī)械手的水下靈巧與高效作業(yè)能力，和解決半自主的ROV 導(dǎo)航和機(jī)械手作業(yè)能力[21]。該項(xiàng)目的合作伙伴包括瑞士的IDIAP 研究實(shí)驗(yàn)室和德國不來梅大學(xué)等，且已經(jīng)取得一定成果。歐盟計(jì)劃開展名為ROBUST 的UVMS 項(xiàng)目，旨在通過基于激光的元素分析技術(shù)和UVMS 技術(shù)，對海床物質(zhì)進(jìn)行取樣和原位探測[22]，該項(xiàng)目由EC Horizon2020 項(xiàng)目資金支持。

本文設(shè)計(jì)了一種用于海管維修的UVMS 作業(yè)系統(tǒng)，可在UVMS 雙目視覺系統(tǒng)輔助下，在機(jī)械臂末端搭載特種作業(yè)設(shè)備自主完成海管的清理和維修作業(yè)任務(wù)，考慮到UVMS 運(yùn)動(dòng)過程中存在約束問題，提出了一種基于模糊邏輯的多任務(wù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，可以確保UVMS 在安全的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)執(zhí)行海管維修的相關(guān)作業(yè)任務(wù)。

1 UVMS 系統(tǒng)構(gòu)成及海管維修方法

1.1 UVMS 系統(tǒng)構(gòu)成

該UVMS 具有海管檢測、表面清洗和海管維修3 種功能，主要由水上和水下兩部分組成，兩者通過零浮力電纜進(jìn)行連接，UVMS 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 UVMS 的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Control system structure of UVMS

水上部分由控制臺、水面絞車、光端機(jī)和高壓電電源輸出系統(tǒng)組成，控制臺主要負(fù)責(zé)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操縱、設(shè)備控制、視頻監(jiān)視等功能，水面絞車完成水下機(jī)器人在甲板上的起放任務(wù)，光端機(jī)負(fù)責(zé)與水下機(jī)器人的實(shí)時(shí)通信，高壓電電源輸出系統(tǒng)通過水下的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為UVMS 系統(tǒng)供電。

水下部分主要包括機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架，雙目視覺系統(tǒng)，視覺照明系統(tǒng)，推進(jìn)器系統(tǒng)，水下控制器，機(jī)械臂及其相應(yīng)的特種作業(yè)設(shè)備，慣導(dǎo)系統(tǒng)，光端機(jī)和浮力材料等。機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架用于安裝UVMS系統(tǒng)各個(gè)關(guān)鍵部件。雙目視覺系統(tǒng)主要檢測海管表面的腐蝕和損傷情況，同時(shí)為UVMS 末端提供位置反饋。視覺照明系統(tǒng)為UVMS 作業(yè)提供水下光源。推進(jìn)器系統(tǒng)負(fù)責(zé)UVMS 在水平和垂直方向上的運(yùn)動(dòng)。水下控制器用于控制UVMS 執(zhí)行海管的檢測和維修動(dòng)作。慣導(dǎo)系統(tǒng)提供UVMS 運(yùn)動(dòng)過程中的位置和姿態(tài)。機(jī)械臂配合末端的不同的特種作業(yè)設(shè)備，可以完成不同海管維修任務(wù)，若在其末端安裝高壓水射流裝置可以完成海管防腐層的清理作業(yè)，若在其末端安裝水下焊接工具可以完成海管破損處的焊接維修作業(yè)。浮力材料主要用于配平UVMS 系統(tǒng)的浮心和重心，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

1.2 海管維修方法

UVMS 實(shí)現(xiàn)海管檢測與維修主要分為以下3 個(gè)步驟：

步驟1通過攜帶的雙目視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)海管檢測。首先對采集的水下圖像進(jìn)行預(yù)處理，對海管的圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)和裂縫檢測，然后通過立體匹配方法進(jìn)行目標(biāo)識別，最后通過三維重建技術(shù)獲得海管裂縫的三維空間坐標(biāo)。

步驟2在UVMS 的機(jī)械臂末端搭載高壓水射流設(shè)備，UVMS 根據(jù)雙目視覺系統(tǒng)測量的海管裂縫的位置，通過本文所提出的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法對水下機(jī)器人的位姿和機(jī)械臂的關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，通過水下機(jī)器人的推進(jìn)器和機(jī)械臂的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)其到達(dá)指定位置，使得末端的高壓水射流設(shè)備抵近海管裂縫處，通過高壓水射流對裂縫處的涂層進(jìn)行打磨和清洗。

步驟3在完成海管裂縫表面涂層的清理之后，在機(jī)械臂末端換上專用的水下焊接設(shè)備，根據(jù)雙目視覺系統(tǒng)反饋的裂縫的位置信息，對水下機(jī)器人的位姿和機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行規(guī)劃和控制，確保海管裂縫焊接修復(fù)工作的完成。

2 UVMS 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法

通過雙目視覺定位方法得到海管需要清洗或者維修目標(biāo)的三維空間的位置信息，在機(jī)械臂末端安裝相應(yīng)的特種作業(yè)設(shè)備，在任務(wù)規(guī)劃層對水下機(jī)器人的位姿和機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行規(guī)劃，通過各自的執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)UVMS 的末端到達(dá)指定的位置，進(jìn)行海管的清洗或者維修工作。UVMS 在進(jìn)行軌跡規(guī)劃不僅需要保證末端到達(dá)作業(yè)位置，同時(shí)還要避免關(guān)節(jié)極限等不安全情況的發(fā)生，因此本文基于模糊邏輯的多任務(wù)優(yōu)先級方法對UVMS 的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。

2.1 模糊任務(wù)多優(yōu)先級規(guī)劃方法

2.1.1 UVMS 任務(wù)空間運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

UVMS 的任務(wù)空間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為

表示慣性坐標(biāo)系下的末端的線速度與載體坐標(biāo)系的各個(gè)關(guān)節(jié)速度表示映射關(guān)系的雅可比矩陣Je為

雅克比矩陣由水下機(jī)器人的位置和姿態(tài)和機(jī)械臂的關(guān)節(jié)位置三部分對應(yīng)組成，并且有：

2.1.2 模糊多任務(wù)優(yōu)先級運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

（1）多任務(wù)優(yōu)先級運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法

定義UVMS 系統(tǒng)的主要和次要任務(wù)分別是ηp∈Rm和ηs∈Rr，m 和r 為兩個(gè)任務(wù)的維數(shù)，對應(yīng)的兩個(gè)雅克比矩陣分別為Jp（q）∈Rm×N和Js（q）∈Rr×N，N 為系統(tǒng)的自由度，且滿足如下關(guān)系

則采用任務(wù)優(yōu)先級方法的實(shí)現(xiàn)主次要任務(wù)的規(guī)劃算法可有如下形式：

上式可以寫成如下的閉環(huán)形式：

式中：eE是主要任務(wù)的期望值和規(guī)劃值之間的誤差；es是次要任務(wù)的期望值與規(guī)劃值的誤差；KE和Ks為常數(shù)增益矩陣。上式可進(jìn)一步寫為

（2）關(guān)節(jié)位置約束

UVMS 在水下執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時(shí)，要求水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的俯仰角較小，并且水下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)要避免到達(dá)關(guān)節(jié)極限，故本文引入加權(quán)矩陣來處理水下機(jī)器人和水下機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)和關(guān)節(jié)極限，選定對角陣W 且作如下定義：

式中：ci＞0 為常數(shù)，表示第i 個(gè)關(guān)節(jié)位置約束強(qiáng)度；qi、qi，max和qi，min為UVMS 的第i 個(gè)關(guān)節(jié)位 置及其 最大與最小極限。w（q）的偏導(dǎo)為

W 對角線上的元素為

由上式可知，當(dāng)UVMS 第i 個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)到安全范圍的中間位置時(shí)，Wi，j=1；當(dāng)UVMS 第i 個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)接近其規(guī)定的關(guān)節(jié)極限時(shí)，Wi，j=∞；UVMS 的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)會(huì)受其約束。上式Wi，j當(dāng)中間位置無限接近于關(guān)節(jié)極限或者是關(guān)節(jié)極限返回到中間位置時(shí)取值相等，故對Wi，j定義作如下改進(jìn)：

（3）UVMS 模糊逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃算法設(shè)計(jì)

UVMS 為水下機(jī)器人和機(jī)械臂組成的復(fù)合系統(tǒng)，故機(jī)械臂在執(zhí)行空間作業(yè)任務(wù)時(shí)，運(yùn)動(dòng)學(xué)是冗余的。同時(shí)，在UVMS 在執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時(shí)存在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)極限、奇異位形和水下機(jī)器人本體的位姿保持等運(yùn)動(dòng)約束。為解決UVMS 運(yùn)動(dòng)中存在的約束問題，本文使用如式（14）所示的基于模糊邏輯的多任務(wù)優(yōu)先級的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，UVMS 的本體為六自由度的水下機(jī)器人，考慮扶正力矩忽略橫搖，機(jī)械臂由腰部和腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與大臂、小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)組成，因?yàn)橹豢紤]末端的位置，所以可以將UVMS 簡化為七自由度，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的具體步驟如下。

首先，UVMS 執(zhí)行海管維修作業(yè)時(shí)，末端攜帶特種作業(yè)設(shè)備到達(dá)雙目視覺系統(tǒng)測量的三維空間位置是主要任務(wù)：

關(guān)節(jié)極限的距離被作為第一次要任務(wù)，水下機(jī)器人的俯仰角度作為第二次要任務(wù)，即：

定義水下機(jī)器人的俯仰角度的運(yùn)動(dòng)范圍為［-20°，20°］，水下機(jī)械臂的關(guān)節(jié)2 和關(guān)節(jié)3 的關(guān)節(jié)極限分別為［-142°，142°］和［-230°，230°］。次要任務(wù)通過模糊變量進(jìn)行激活，水下機(jī)械臂當(dāng)前關(guān)節(jié)位置到關(guān)節(jié)極限的距離和水下機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)為模糊推理系統(tǒng)的輸入，依此定義兩個(gè)語言變量：

其中close 和not close 表示水下機(jī)械臂關(guān)節(jié)當(dāng)前位置距離關(guān)節(jié)極限位置的近遠(yuǎn)，small 和not small表示水下機(jī)器人的姿態(tài)角的小大，輸入?yún)?shù)的隸屬函數(shù)如圖2 所示。

圖2 輸入?yún)?shù)的隸屬函數(shù)Fig.2 Membership function of input parameters

輸出是UVMS 對應(yīng)于兩個(gè)次要任務(wù)的權(quán)重比例系數(shù)αi（i=1，2），語言變量是：

其中high 和low 表示次要任務(wù)權(quán)重比例系數(shù)較大和較小。輸出參數(shù)對應(yīng)的隸屬度函數(shù)曲線如圖3 所示。

模糊規(guī)則如表1 所示，其中JL 為關(guān)節(jié)極限，VA為水下機(jī)器人的姿態(tài)。

對模糊推理的結(jié)果采用重心法進(jìn)行反模糊化處理。

圖3 輸出參數(shù)的隸屬函數(shù)Fig.3 Membership function of output parameters

表1 模糊控制狀態(tài)表Tab.1 Fuzzy control state

3 仿真實(shí)驗(yàn)

搭建UVMS 仿真系統(tǒng)，如圖4 所示，通過UVMS的視覺系統(tǒng)處理得到的海管上需要處理的三維的位置坐標(biāo)為xe，d= ［2 -0.2 2 ］T，任務(wù)優(yōu)先級的增益矩陣為KE=diag［20 20 20］，Ks1=50，Ks2=［0 10］。

圖4 UVMS 仿真的三維效果圖Fig.4 3D simulation of UVMS

由圖5 可知，末端在第16 s 時(shí)到達(dá)目標(biāo)位置，完成任務(wù)優(yōu)先級的主要任務(wù)，由于水下機(jī)械臂的對于載體的耦合影響，在運(yùn)動(dòng)過程中，本體會(huì)在x、y 和z 方向上的產(chǎn)生的最大位置偏差0.16 m、0.06 m 和-0.03 m。圖6 和圖7 為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度和水下機(jī)械臂的姿態(tài)，由圖可知，機(jī)械臂關(guān)節(jié)以較小的關(guān)節(jié)角度使得末端達(dá)到目標(biāo)位置，水下機(jī)器人的縱傾角和橫搖角都在限定的范圍內(nèi)。在4.5 s 時(shí)，水下機(jī)器人的縱傾角大于10°，觸發(fā)模糊系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制，使得水下機(jī)器人在安全的姿態(tài)范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。圖8 中可以看出α2迅速被激活，AUV 俯仰角從6 s 開始下降，使其無法超過所設(shè)置的范圍，說明了加入模糊算法后系統(tǒng)的性能可以得到改善。

圖5 機(jī)械臂末端位置誤差Fig.5 End position error of manipulator

圖6 機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度Fig.6 Joint angle of manipulator

圖7 水下機(jī)器人本體的姿態(tài)Fig.7 Posture of underwater vehicle

圖8 模糊系統(tǒng)的輸出Fig.8 Output of fuzzy system

4 結(jié)語

本文針對海底管道的自動(dòng)化檢測和維修的UVMS 系統(tǒng)及其規(guī)劃方法進(jìn)行研究，著重開展UVMS系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，分析了海底管道的檢測與維修的步驟；在此基礎(chǔ)上，針對海管檢測與維修提出了基于模糊多任務(wù)的UVMS 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，通過仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說明，本文所提出的模糊多任務(wù)規(guī)劃方法，可以在水下機(jī)器人視覺系統(tǒng)的定位輔助下，完成指定的海管的清洗和維修工作。