海底电缆智能巡检ROV分系统设计方案（控制部分）

孙英顺（杭州电子科技大学,杭州　310018）



海底电缆智能巡检ROV分系统设计方案（控制部分）

孙英顺
（杭州电子科技大学,杭州310018）

摘 要：海底电缆智能巡检ROV应用于近海复杂海流环境，有大量的环境碰撞冲击作业，这就需要能够对其进行高效的机器人运动控制来完成电缆的智能导航追踪。同时，还需要搭载大量传感器，包括水下摄像机及云台、图像声呐、姿态仪、罗经、超短基线、海缆检测的特种设备以及其他辅助作业系统。

关键词：海底电缆；巡检；系统设计

1　总体设计思路

1.1研究内容与特点

ROV控制系统控制对象较多且复杂，接口类型多，而且需要保证通信的实时性和高速率。另一方面，需要留出接口以便于接入特种设备和未来扩展。若采用传统的单片机或者PC104等方案，会导致接口不足、兼容性差、开发周期长、扩展能力不足等缺点。故这里需要引入工业控制上的“总线”设计思路。

根据这些目标内容，控制系统方案需要有以下必要特点：

（1）实时性。主要保证运动控制的确定性，提高对ROV的控制效率；（2）高速性。能够高速完成对水下数据的传输，提高水下监测质量；（3）通用性。能够提供标准的扩展接口，以方便其他设备接入。比如不同的海缆巡检设备以及其他辅助作业系统。

对比目前市面上常见的工业总线，综合考虑下，我们选择EtherCAT作为此次设计的总线类型。它具有以下特点：

（1）实时性；（2）高速性；（3）拓扑结构好。

2　硬件系统设计与选型

EtherCAT为德国Beckhoff公司首先提出并开发，开发初期优先选择Beckhoff公司产品，完成样机开发。

根据设计思路，为本次ROV水下主控器选型为Beckhoff的CX5000系列。一方面，CX5000具备2个EtherCAT 100M高速实时以太网接口，另一方面，CX5000系列非常小巧，价格与西门子S7-400相当。在兼顾性能、体积、价格等综合因素下，CX5000系列为此次方案的最优选择。

水下端配套EtherCAT端子模块。ROV水下复杂的工作环境配合了多种传感器，如深度计、高度计、姿态传感器、超短基线、温度计、图像声呐、漏水检测等等。不同的传感器具备不同的供电方案和通信接口，需要PLC选型后相互配合，设计示意图如图1。

3　软件系统设计

海缆巡检ROV的软件体系主要分为水面甲板实时操控单元和水下PLC主控单元。甲板单元主要用于收集和处理水面与水下传感器的信息，同时通过一定算法，进行数据处理和融合，包括剔除干扰数据。同时，将这些数据转化为可视化信息予以呈现，如3D姿态、视频图像以及各个状态信息。水下PLC主控单元主要用于将水面执行指令转化为ROV动作，如水下推进器运动、水下灯亮灭、机械手运动等。

3.1ROV主控软件软件程序设计架构

本次ROV软件将采用C/S架构下的三层结构设计方案：

（1）表示层/UI层：用户交互层，根据用户需求设计软件界面。

（2）业务逻辑层（BLL）：是数据访问和用户交互接口的桥梁。

（3）数据访问层（DAL）：与数据库相连，根据指令获取对应的数据。

本次的Windows软件环境为.NET Framwork 3.0，开发语言将采用CSharp(C#)。软件采用三层C/S架构可以显著的降低层和层之间的互相依赖，有利于标准化的实现，方便后期修改和维护。同时，也有利于层之间的逻辑复用。

UI层是用户交互层，直接与ROV操作人员进行人机互动，故要获得良好的用户体验，最好设计针对一般工程用户的交互逻辑。本次ROV软件系统设计中，UI层采用了Winform的编程模式，并且根据用户交互层操作顺畅和界面美观的要求，结合工业级图像仪表控件实现了ROV主操控软件的用户界面。

本次软件系统要求显示ROV的各个传感器、推进器、耐压舱等监控状态和外接操作盒的操作状态。用户交互层的用户界面主要可以分为以下几个部分：

（1）软件初始化与传感器配置区，初始化软件状态

（2）推进器控制区，负责控制推进器使能状态

（3）ROV运动监控区，负责监控ROV推进去及整体运动状态

（4）灯与摄像机控制区，负责灯光与摄像机的控制。

（5）云台控制区，负责云台的运动控制

（6）高度计检测区，用于显示ROV离底高度

（7）深度计检测区，用于显示ROV离水面高度

（8）温度检测区，用于检测电子舱内温度

（9）航向监控区，用于监视ROV当前运动航向

（10）液压控制区，包括液压泵，机械关节状态等，

（11）软件调试区，主要用于软件Demo阶段的调试，后期将取消而ROV的业务逻辑层则主要负责将接收的PC通信接口数据进行分类解析，比如本次ROV中使用的RS232/RS485串口数据，Ethernet网络数据，USB接口数据等等，并根据解析的内容设置相关的代码变量和标志位，同时对重要的状态数据进行保存。

图1针对ROV的某一业务逻辑进行举例说明。

数据层（DAL）即数据访问层，用于访问所需要的数据或者保存ROV相关的状态和操作数据。ROV的通信中涉及网络接口，而C#同时作为一种网络编程语言对.NET编程提供了非常全面的支持。

作者简介：孙英顺（1989-），男，河北邢台人，研究方向：海洋设备。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.183