水下機器人對接裝置液壓系統(tǒng)設計及仿真

杜曉飛，顧晴

(1.南京工程學院機械工程學院，江蘇南京 211167；2.南京工程學院校長辦公室，江蘇南京 211167)

0 前言

自主式水下潛器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是無纜水下機器人，它具有活動范圍大、機動性好、安全、智能化等優(yōu)點，成為完成各種水下任務的重要工具[1]。但由于AUV體積有限，自身攜帶的能源不足以支撐其長時間、大范圍作業(yè)，通常要把AUV回收到水面平臺進行能源補給和數(shù)據(jù)交換才能使其繼續(xù)工作。水下對接裝置能夠在水下與AUV進行連接，進而對AUV進行能源補給和與其進行數(shù)據(jù)交換，從而保證AUV能夠進行長時間、大范圍的連續(xù)作業(yè)[2-3]。美國麻省理工學院海洋實驗室和伍茲霍爾海洋研究所研制了“Odyssey-IIB”AUV水下對接系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4部分組成：深水對接系統(tǒng)、海底固定錨系、淺水區(qū)域降擾動機構和水面通信系統(tǒng)[4-5]。美國蒙特利海灣水下研究中心和伍茲霍爾海洋研究所分別針對直徑540 mm的“Bluefin”AUV和直徑190 mm的“RUMES”AUV，采用包容式對接方式開發(fā)了兩套水下對接裝置。REMUS對接裝置由錐形導向罩和圓柱形對接筒組成，AUV依靠超短基線水聲傳感器(USBL)進入導向罩并經(jīng)導向罩引導進入對接筒內(nèi)完成對接。AUV進入對接筒后，對接裝置通過水密連接器對其進行充電和數(shù)據(jù)交換[6-8]。2009年，韓國海洋工程研究中心針對“ISIMI”號AUV同樣采用包容式對接方式研制出一套水下對接裝置，該裝置結構簡單，利用導向罩對AUV進行引導使其進入對接裝置內(nèi)[9]。近年來，隨著國內(nèi)外對海洋探測、開發(fā)的重視，水下機器人的下潛深度不斷加大，這對于水下機器人的續(xù)航及作業(yè)能力提出了更高的要求。因此，研制一套適用于1 000 m以上大深度的水下對接裝置對于提高深海探測能力具有十分顯著的效果。水下對接裝置工作時需要動力系統(tǒng)，而液壓系統(tǒng)具有體積小、功率大的優(yōu)點，能夠較好地滿足對接裝置的動力需求。為實現(xiàn)對接裝置在深海環(huán)境下自動工作，本文作者研制了對接裝置控制系統(tǒng)。針對控制系統(tǒng)性能，進行了仿真實驗，通過引入PID算法提高控制系統(tǒng)性能，驗證了所提方法的有效性。

1 對接裝置總體方案研究

本文作者研制的水下對接裝置有特定的目標AUV與其進行對接，目標AUV直徑為560 mm，總長度為5 100 mm，空氣中質量為750 kg，外殼主要材質為玻璃鋼，AUV底部為平面并設有充電對接口，上部設有方便起吊的圓形吊耳，尾部設有應答天線及主推進器，其三視圖如圖1所示。

圖1 目標AUV三視圖

根據(jù)對接的需求，本文作者確定了水下對接的流程：

(1)對接時先將對接裝置吊放到海底，此時，導向罩的開口方向不一定與海流方向保持一致，對接裝置設有檢測海流方向的流速流向計，通過流速流向計下水前和在水中穩(wěn)定后兩個狀態(tài)的角度變化即可計算出導向罩開口方向與海流方向的夾角。通過對接裝置的回轉機構調(diào)整導向罩的開口方向，并通過裝置上方水平放置的電子羅盤實時檢測導向罩轉過的角度，從而判斷是否調(diào)整到位，當調(diào)整到位后，制動機構完成對軸的抱死，使導向罩方向不再變化。

(2)上述過程完成以后，由于海底并不是絕對的水平，這時的對接裝置可能存在一定的橫滾、俯仰角度，調(diào)平模塊可調(diào)節(jié)裝置的姿態(tài)，通過電子羅盤實時反饋裝置的橫滾角和俯仰角從而判斷對接裝置是否水平。調(diào)平動作完成后，AUV在水下位姿傳感器的引導下進入對接裝置，錐形導向罩對其有引導作用，當AUV到達指定位置時，AUV上部的吊耳會觸碰到對接裝置的定位模塊，定位模塊中的位置傳感器發(fā)出信號，指示AUV已到位。

(3)AUV到位后，鎖緊模塊上升，到達合適位置后由位置檢測傳感器發(fā)出到位信號，由下位機自動控制其停止運動，從而完成對AUV的鎖緊。然后充電模塊向上運動，到達合適位置與AUV的充電口進行非接觸式充電和數(shù)據(jù)交換，充電模塊同樣設有位置檢測傳感器。待對接裝置對AUV完成充電和信息交換后，鎖緊模塊和充電模塊向下運動到達初始位置從而與AUV脫離接觸，AUV依靠自身動力退出對接裝置，從而完成全部的對接過程。

設計的對接裝置如圖2所示，主要結構包括導向罩、對接筒、水下攝像機、應答天線以及充電、鎖緊、調(diào)平、定位等各功能模塊，裝置底部圓盤上固定有液壓艙、電子艙等。對接裝置高3 400 mm(底座到導向罩上邊緣最高點距離)，導向罩為圓錐形，材質為玻璃鋼，厚度8 mm，上方開有引導AUV進入的導向槽，導向罩入口處直徑為2 000 mm，與對接筒接口處直徑為640 mm。導向罩與對接筒通過法蘭進行連接，法蘭外徑為660 mm。

圖2 對接裝置三維模型

2 液壓及控制系統(tǒng)研制

根據(jù)對接裝置的功能設計，為實現(xiàn)對接裝置的精確運動，同時考慮到深海工作的環(huán)境，采用壓力補償技術，設計了以水-乙二醇為介質的液壓系統(tǒng)，原理如圖3所示。

圖3 水-乙二醇液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)回路主要包括制動回路、回轉驅動回路、調(diào)平回路、鎖緊回路、充電回路，每個回路都是單獨動作。采用壓力補償技術，液壓系統(tǒng)帶有一個體積較小的補償器。補償器的作用一是將外界海水壓力補償?shù)揭簤汗苈分?，二是補償液壓缸活塞桿運動時因有桿腔和無桿腔容積變化引起的水-乙二醇液壓液體積的變化。此外，閉式液壓系統(tǒng)還具有壓力損失較小、換向沖擊小的優(yōu)點。采用液壓密封艙的形式將液壓泵、電機、電磁換向閥、調(diào)速閥等元件密封在艙內(nèi)，液壓馬達、液壓缸等執(zhí)行元件能夠耐海水腐蝕，直接暴露在海水中。

對接裝置各功能模塊及液壓系統(tǒng)動作及信號反饋需要設計控制傳感器及執(zhí)行器。根據(jù)各模塊的需求，分析了對接裝置控制系統(tǒng)所需的執(zhí)行器及傳感器：調(diào)平模塊需要對對接裝置的橫滾角和俯仰角進行實時檢測和反饋，制動回轉模塊需要對對接裝置導向罩的航向角度進行檢測和反饋。本文作者選用無錫惠聯(lián)公司生產(chǎn)的SEC385型高精度電子羅盤對上述3個角度進行檢測。鎖緊模塊及充電模塊采用的3個位置反饋式液壓缸設有接近開關。此外，當AUV進入對接裝置對接筒后，為了檢測AUV是否到位，定位模塊也采用了兩個同樣型號的接近開關。因此控制系統(tǒng)需要對總計8個接近開關進行信號采集。液壓系統(tǒng)設有壓力傳感器，能夠對系統(tǒng)壓力進行實時檢測。液壓系統(tǒng)共有6個電磁換向閥，根據(jù)電磁換向閥的工作原理，設計了繼電器模塊控制電磁換向閥的工作。每個模塊有8路繼電器，采用24 V電源為繼電器提供工作電壓，繼電器的觸發(fā)方式為高電平觸發(fā)，通過下位機引腳的高低電平可直接控制繼電器通斷?？刂菩盘栯娐泛屠^電器工作電路采用了光耦隔離的方式，保證了下位機電路的安全性。上述傳感器及控制器與下位機主控芯片共同構成了下位機控制系統(tǒng)，結構如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結構

結合具體的對接流程，設計了控制系統(tǒng)軟件。軟件結構采用中斷循環(huán)相結合的形式，結構如圖5所示。根據(jù)系統(tǒng)任務的需要，將下位機主控制單元程序劃分為3個主要任務，分別為傳感器數(shù)據(jù)采集任務、串口數(shù)據(jù)收發(fā)任務、指令執(zhí)行任務。

圖5 控制軟件工作流程

3 控制系統(tǒng)建模

選取鎖緊機構液壓回路作為研究對象，建立了鎖緊回路的數(shù)學模型，進而得到了鎖緊回路系統(tǒng)傳遞函數(shù)并進行仿真。由于充電回路和鎖緊回路均采用同規(guī)格的液壓缸驅動，因此針對鎖緊回路的建模仿真對于所設計的液壓系統(tǒng)其他回路具有較高的代表性和參考意義。

鎖緊回路主要由下位機、比例放大器、比例伺服閥、液壓缸及位置檢測傳感器組成，原理如圖6所示。工作時，由上位機界面輸給下位機液壓缸需要運動的行程，下位機控制比例伺服閥開啟，液壓缸驅動鎖緊機構運動，位置檢測傳感器對液壓缸活塞桿行程進行反饋。

圖6 鎖緊回路原理

由于液壓回路實際工作時受到很多因素影響，因此對于液壓系統(tǒng)建模假設條件如下：(1)控制閥為理想的零開口四通滑閥，4個節(jié)流口對稱且匹配；(2)閥具有理想的響應能力，閥芯的位移、閥壓降的變化所產(chǎn)生的流量變化能在瞬間發(fā)生；(3)液壓缸為理想的單出桿液壓缸；(4)供油壓力恒定，回油壓力為零；(5)液壓缸的每個工作腔壓力處處相等，油液溫度和容積彈性模量可看作常數(shù)。

閥控液壓缸的傳遞函數(shù)[10]為

(1)

由實驗測試曲線得到伺服閥輸入電壓信號對液壓缸位移的增益為

(2)

閥控液壓缸控制系統(tǒng)的結構框圖，如圖7所示。

圖7 閥控液壓缸控制系統(tǒng)的結構框圖

在不計干擾力FL的情況下，由控制系統(tǒng)框圖得到系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

前面已得出閥控液壓缸的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(4)

因此式(3)可以表示為

(5)

4 系統(tǒng)仿真

通過MATLAB對上節(jié)建立的數(shù)學模型進行仿真，得到系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)開環(huán)伯德圖

分析圖8可以看出：鎖緊回路液壓控制系統(tǒng)的相位裕量為33.9 dB，幅值裕量為89.9°，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的開環(huán)穿越頻率為0.476 rad/s，表明系統(tǒng)的響應速度較慢。系統(tǒng)的相位裕量為89.9°，高于工程上常取的40°～60°。相位裕量大，穩(wěn)定性好，但響應速度慢。因此，應運用控制算法提高系統(tǒng)的響應速度以滿足控制系統(tǒng)的要求。

PID算法具有較高的控制精度和魯棒性，在工程中得到廣泛應用[11]。為了確定合適的PID參數(shù)，利用MATLAB的優(yōu)化工具對PID參數(shù)進行優(yōu)化，建立的系統(tǒng)框圖如圖9所示。優(yōu)化前首先設定好階躍響應曲線的上升時間、超調(diào)量以及穩(wěn)定時間等約束條件，工具箱通過不斷的模擬最終選擇出滿足要求的控制器參數(shù)，其值為Kp=2.5，Ki=0.01，Kd=0.02。

圖9 用MATLAB搭建的系統(tǒng)仿真框圖

加入?yún)?shù)為Kp=2.5、Ki=0.01、Kd=0.02的PID控制器，表1列出了加入PID控制器和未加控制器的系統(tǒng)對單位階躍信號響應的結果對比。相對于未加入PID控制器的控制系統(tǒng)，加入PID控制器后系統(tǒng)達到穩(wěn)定的時間縮短了55.5%。按照對接的技術指標，鎖緊過程的時間應在5～10 s之間，因此加入PID算法后，控制系統(tǒng)能夠滿足對接技術指標的要求。未加入PID控制器時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定后存在著33.3%的衰減，加入PID控制器后消除了衰減，提高了控制系統(tǒng)的性能。

表1 鎖緊回路液壓控制系統(tǒng)仿真實驗結果比較

5 結論

(1)針對現(xiàn)有對接技術的特點及不足，提出一種新型的適用于大深度海底環(huán)境的水下對接裝置，相比其他對接裝置，研制的對接裝置能夠穩(wěn)定地工作在深海環(huán)境。

(2)設計了以水-乙二醇液壓液為介質的液壓系統(tǒng)方案，進行了原理設計，并分析了液壓系統(tǒng)各回路具體的動作過程，并研制了液壓系統(tǒng)實物。

(3)研制了對接裝置控制系統(tǒng)，采用PID控制算法對系統(tǒng)進行了仿真。仿真結果表明：加入PID控制算法后系統(tǒng)響應速度加快，且達到穩(wěn)態(tài)后無衰減，滿足對接裝置的技術要求。