深海作業(yè)機器人電動系纜管理系統(tǒng)及其控制研究

杜凱冰，劉浩平，田招招，彭 勃，秦建輝

（1. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 英國SMD 公司，紐卡斯?fàn)?NE28 6UZ）

0 引言

海洋中蘊藏著豐富的資源，合理開發(fā)與利用海洋資源有助于人類社會可持續(xù)發(fā)展。水下機器人在幫助人類進(jìn)行地質(zhì)勘探、資源開發(fā)以及海洋管道與線纜鋪設(shè)等方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，各種功率等級的作業(yè)型深海機器人廣泛應(yīng)用在深海油氣資源開發(fā)、水下探測與設(shè)備維護(hù)等領(lǐng)域［1-3］。有纜遙控作業(yè)機器人（remotely operated vehicle， ROV）是當(dāng)前常用的深海作業(yè)機器人，其通過纜與工作母船連接，工作人員可在工作母船上對其進(jìn)行操作控制。

纜是連接水面作業(yè)平臺與水下作業(yè)ROV 之間的重要紐帶，其主要傳送電能、控制指令和傳感器數(shù)據(jù)等，在深海作業(yè)ROV系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［4-6］。ROV在海洋作業(yè)時會受到海流等復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，作業(yè)環(huán)境較為惡劣， 導(dǎo)致纜在工作過程中受到復(fù)雜載荷環(huán)境作用［7-8］。系纜收放技術(shù)是深海有纜機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一［9-12］，可以減小水面作業(yè)船對ROV 運動的影響，調(diào)控ROV 在水下運動范圍，確保系纜能正確地繞組并避免系纜的纏結(jié)。因此，利用系纜管理系統(tǒng)合理規(guī)劃設(shè)計系纜的收放，對于提高ROV系統(tǒng)的工作效率與穩(wěn)定性起著重要作用。

本文基于作業(yè)級ROV載體，研究設(shè)計一種水下有纜遙控機器人電動系纜管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)以永磁電機作為動力執(zhí)行單元；并設(shè)計了水面-水下控制系統(tǒng)及系纜收放控制方法，對處在滾筒不同層數(shù)系纜的力矩與速度做了動態(tài)控制，使?jié)L筒內(nèi)層的纜不會產(chǎn)生過大的張力，實現(xiàn)低張力纏繞。通過將電動系纜管理系統(tǒng)（tether management system，TMS）與實物ROV 配合進(jìn)行功能實驗，驗證了該系統(tǒng)能很好地滿足產(chǎn)品應(yīng)用要求。

1 深海作業(yè)ROV系統(tǒng)

整個深海機器人作業(yè)系統(tǒng)包括控制艙、布放裝置、ROV 與TMS。圖1 所示為深海作業(yè)機器人ROV-TMS系統(tǒng)示意圖，作業(yè)船舶上有控制艙、布放裝置，工作人員在船上的控制艙內(nèi)操作，相關(guān)操作以控制指令形式通過纜傳送到水下ROV，從而實現(xiàn)在水面控制水下ROV運動的目的。

圖1 深海作業(yè)ROV-TMS 系統(tǒng)示意Fig.1 Working-class ROV-TMS system

ROV 與TMS 在水下工作，其中ROV 是具體的執(zhí)行單元，其可以攜帶機械臂等其他輔助工作單元，根據(jù)操作者的操作指令完成海洋作業(yè)［4］。

TMS用于管理ROV的系纜聯(lián)結(jié)，確保系纜的正確繞組并避免纏結(jié)。TMS 使ROV 運動更具機動性，并可以在不移動船只或其他平臺的情況下增加ROV 運動范圍。

2 電動系纜管理系統(tǒng)

本文研究的電動TMS是用于ROV系統(tǒng)的新一代系纜管理系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的以液壓系統(tǒng)作為動力執(zhí)行單元的TMS 不同，該系統(tǒng)以永磁電機作為動力執(zhí)行單元。

圖2 為該系纜管理系統(tǒng)原理圖，其由滾筒、滑動輪、水平往復(fù)絞線器、電機與驅(qū)動器、電源、控制器等組成。驅(qū)動器內(nèi)置在與永磁電機相連的充油外殼中，將驅(qū)動器靠近電機布置可最大限度地減小信號傳輸干擾/延遲。

圖2 電動TMS 原理Fig.2 Principle of the electric tether management system

滾筒直接由電機驅(qū)動，滑動輪也由電機驅(qū)動。滾筒通過鏈傳動控制水平往復(fù)絞線器運動來確保滾筒與絞線器的運動是同步的。TMS控制系統(tǒng)通過調(diào)控滾筒電機與滑動輪電機的協(xié)同運動，使ROV適應(yīng)復(fù)雜多變的海洋環(huán)境與系纜頻繁收放的張力調(diào)節(jié)。電動TMS具體參數(shù)詳見表1。

表1 電動TMS 參數(shù)Tab.1 Parameters of the electric tether management system

滾筒的驅(qū)動力矩和速度一方面受到電機性能的影響，另一方面也受到系纜在滾筒上所處層數(shù)的限制，這樣可以避免系纜在滾筒上產(chǎn)生過大的扭矩/張力。因此，在電機功率范圍內(nèi)，處在滾筒內(nèi)層的系纜將比外層系纜以更大的速度運動。

3 電動TMS控制系統(tǒng)

3.1 控制原理

圖3 為電動TMS 的控制系統(tǒng)，其主要由水面控制系統(tǒng)與水下控制系統(tǒng)兩部分組成。水面控制系統(tǒng)位于控制箱內(nèi)。其由PLC 及相關(guān)控制系統(tǒng)組成，主要有人機界面操作功能、水下圖形場景顯示功能等。PLC控制系統(tǒng)基于Ethernet 與水下運動控制器通信，接收用戶的操作命令（遙控指令、控制信號、參數(shù)配置等）并通過系纜傳送到水下運動控制器；與此同時，水下運動控制器將各電機的狀態(tài)、傳感器信號及自身狀態(tài)等信息通過系纜回傳給水面PLC控制系統(tǒng)。

圖3 電動TMS 水面-水下控制系統(tǒng)Fig.3 The surface-underwater control system for the electric TMS

水下運動控制器根據(jù)當(dāng)前控制周期的指令設(shè)定值與來自傳感器的實際反饋值，計算出各控制電機的目標(biāo)電流（或力矩），并發(fā)出新的控制指令到各電機控制器，其詳細(xì)控制邏輯見圖4。在獲取來自水面?zhèn)鬟f下來的TMS 工況和手柄級位信息后，滾筒控制指令計算單元判斷系纜當(dāng)前所處滾筒層數(shù)并確定對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩/速度限制，根據(jù)受控滾筒與受控電機參數(shù)計算出電流設(shè)定值；然后針對電流設(shè)定值與實際電流之間的差，利用PID 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，發(fā)出目標(biāo)電流控制指令，控制滾筒電機運動，進(jìn)而控制系纜在滾筒上的運動。

圖4 TMS 運動控制邏輯Fig.4 TMS motion control principal structure

在控制滾筒與滑動輪運動的同時，滾筒控制指令計算單元還結(jié)合滾筒與滑動輪的實際轉(zhuǎn)速、滾筒參數(shù)與系纜直徑等，計算系纜當(dāng)前所處層數(shù)以及已經(jīng)放出的系纜長度。

操作人員在水面控制機器人在水下的運動。為了使機器人運動安全穩(wěn)定，TMS控制系統(tǒng)對來自操作控制桿的手柄級位信息有著嚴(yán)格的要求，詳見圖5。為了防止系纜工作狀態(tài)受到操縱桿非正常擾動的影響，控制系統(tǒng)對控制桿的輸入進(jìn)行了多重校驗，直到最后輸出手柄控制指令。操縱桿手柄控制指令以百分比的形式輸入。為防止誤觸動或者其他原因帶來的擾動，設(shè)置手柄級位限幅值。如果輸入小于設(shè)置的限幅值，手柄級位輸入強制置0；如果大于設(shè)置的限幅值，手柄級位輸入則進(jìn)入下一步。此外，為了滿足不同操縱者的靈敏度控制要求，根據(jù)操作者習(xí)慣設(shè)定靈敏度，靈敏度參數(shù)最大值為100%，小于該值表示降低操縱手柄的靈敏度。操作者的手柄級位信息在經(jīng)過手柄級位限幅控制、靈敏度控制后，輸出為最終的滾筒電機目標(biāo)級位信息。

圖5 操縱桿手柄指令控制Fig.5 Control commands of joystick

3.2 典型控制模式

在ROV深海航行與作業(yè)期間，TMS需要隨時根據(jù)ROV的運動情況對系纜進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，既要確保ROV不會被TMS拖拉而影響作業(yè)，也不宜放出過長的系纜導(dǎo)致ROV被纏繞。

在實際工作過程中，為了防止系纜過緊或者過松對ROV 運動產(chǎn)生影響，針對系纜處在滾筒不同層數(shù)，對滾筒的最大力矩限制與最高速度限制進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以避免內(nèi)層系纜在纏繞滾筒的過程中產(chǎn)生較大的張力，實現(xiàn)低張力纏繞，即層數(shù)越小的，力矩應(yīng)盡可能越小。圖6為典型的系纜層數(shù)與最大力矩/最高速度的關(guān)系圖，處在層數(shù)1、2 的系纜最大力矩要小于處在層數(shù)4、5系纜的，處在層數(shù)1、2的系纜最高速度要大于處在層數(shù)4、5系纜的。

圖6 系纜層數(shù)與最大力矩/最高速度的關(guān)系Fig.6 Relationship between tether layers and the maximum torque or the maximum speed

系纜管理系統(tǒng)在ROV 工作時的典型工作模式有放纜和收纜兩種，在不同工作模式下，滾筒與滑動輪二者之間均需協(xié)同運動，以控制系纜運動，進(jìn)而控制系纜的放出與回收。

3.2.1 放纜模式

當(dāng)TMS工作在放纜模式（如ROV需要下潛時）且系纜不受其他負(fù)載作用時，TMS上的滾筒與滑動輪之間運動關(guān)系如圖7所示。TMS運行在放纜模式，滑動輪工作轉(zhuǎn)矩設(shè)定為T2（逆時針方向），先啟動滑動輪，滑動輪以速度V2逆時針轉(zhuǎn)動，讓滑動輪轉(zhuǎn)矩以一定加速度逐漸增加到工作轉(zhuǎn)矩T2。放纜時，滾筒工作在速度控制模式，滾筒啟動時受到摩擦力矩Tf、慣性力矩TIn和來自滑動輪的力矩-T2的綜合作用（即施加在滾筒上的扭矩為Tf-T2+TIn），以速度V1沿著順時針方向運動。在該過程中限制滾筒的最大運行速度，一旦達(dá)到滾筒目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，施加在滾筒上的扭矩調(diào)整到Tf-T2，在這個過程中系纜平穩(wěn)離開滾筒，然后通過滑動輪被放下來。

圖7 放纜運行原理Fig.7 Principle of pay-out motion

3.2.2 收纜模式

當(dāng)TMS工作在收纜模式（如ROV需上升時）且不受其他負(fù)載作用時，TMS上的滾筒與滑動輪之間運動關(guān)系如圖8所示。TMS運行在收纜模式，滑動輪工作力矩設(shè)定為T2（逆時針方向），先啟動滑動輪，滑動輪以速度V2順時針轉(zhuǎn)動，讓滑動輪轉(zhuǎn)矩以一定加速度逐漸增加到工作轉(zhuǎn)矩T2。收纜時，滾筒工作在速度控制模式，滾筒啟動時受到摩擦力矩Tf、慣性力矩TIn與來自滑動輪的力矩T2綜合作用，即Tf+T2+TIn，滾筒以速度V1沿著逆時針方向運動。在該過程中限制滾筒的最大運行速度，一旦達(dá)到滾筒目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，施加在滾筒上的扭矩調(diào)整到Tf+T2，在這個過程中系纜先經(jīng)過滑動輪，然后平穩(wěn)纏繞在滾筒上。

圖8 收攬運行原理Fig.8 Principle of pick-up motion

4 功能測試

為了測試該電動TMS是否滿足實際應(yīng)用要求，將電動TMS 與ROV 連接，在專用測試水池對電動TMS與ROV系統(tǒng)進(jìn)行了功能測試。水面控制系統(tǒng)發(fā)控制指令到水下控制器，纜根據(jù)設(shè)計目標(biāo)在滾筒和滑動輪之間按照設(shè)計的控制邏輯運動，并且人機交互界面實時顯示纜當(dāng)前所處層數(shù)與已放出纜的長度信息。當(dāng)放出的纜長度大于700 m時，能正常提示“滑動輪上的系纜即將接近第1層”。處在滾筒不同層數(shù)的纜能按照限定的最大速度與最大力矩范圍纏繞在滾筒上或者從滾筒上繞出，能正常配合ROV 工作開展水下作業(yè)。實驗結(jié)果表明，該電動TMS 水面-水下控制系統(tǒng)滿足放纜與收攬應(yīng)用要求。

5 結(jié)束語

為了提高深海有纜作業(yè)機器人系統(tǒng)的工作效率與穩(wěn)定性，本文提出了一種電動系纜管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)由滾筒、滑動輪、電機及驅(qū)動器等組成； 并結(jié)合系纜管理系統(tǒng)實際工作要求，設(shè)計了TMS 水面-水下控制系統(tǒng)及其邏輯控制方法，通過限定不同層數(shù)系纜的最大力矩與最高速度以及控制系纜伸縮和滾筒速度，實現(xiàn)了系纜的低張力纏繞。通過專用測試水池對該電動系纜管理系統(tǒng)與ROV 系統(tǒng)進(jìn)行了實物連接測試，結(jié)果表明，該電動系纜管理系統(tǒng)對系纜收放調(diào)控能滿足ROV水下運動的應(yīng)用要求。