腹部作业型水下机器人控制系统研制

张玮康，王冠学，徐国华，刘畅，申雄

1华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074

2武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430205

腹部作业型水下机器人控制系统研制

张玮康1，王冠学1，徐国华1，刘畅1，申雄2

1华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074

2武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430205

［目的］针对无人水下机器人（UUV）的回收任务要求，研制开发一台新式腹部作业型水下遥控机器人（ROV）。腹部作业型ROV不同于一般依赖机械手作业的传统ROV，其通过腹部作业机构完成与UUV的水下对接及回收。［方法］介绍腹部作业型ROV的系统组成及原理，提出一种以一体化工业加固计算机为水面监控单元，PC104嵌入式工业控制计算机为水下主控单元，各驱动板为驱动单元的控制系统架构。同时建立腹部作业型ROV的动力学模型，并设计水平面定向控制的H∞鲁棒控制器。［结果］单项试验、系统联调及水池试验表明，腹部作业型ROV控制系统具有良好的实时性和可靠性，能够满足UUV回收任务的要求。［结论］该架构和算法对于其他移动机器人、无人机、仿生机器人的控制系统开发均具有参考意义。

腹部作业型水下遥控机器人；控制系统；PC104；H∞鲁棒控制

0 引 言

随着世界经济、科技的发展，人类加快了对海洋资源的开发步伐。为了提高海洋资源的开发能力，坚决维护国家海洋权益，建设海洋强国，必须大力发展我国海洋技术，特别是深海探测、运载及作业技术［1］。

水下机器人是海洋资源勘探和开发的重要工具之一，根据其载人与否又可分为无人水下机器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）和载人水下机器人（Human Occupied Vehicle，HOV）。而UUV又可根据其控制方式主要分为有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和无缆自治水下机器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）2个大类［2］。近年来，UUV广泛应用于海洋探测、开发、搜救等领域，比较典型的有“蓝鳍金枪鱼”号执行了寻找马航残骸的任务［3］。

虽然目前各国的UUV技术已较上个世纪取得了长足的发展，但是针对水下复杂多变的环境以及无缆型UUV动力受限、控制复杂等现状，UUV的回收成为必须解决的难题［4-6］。目前，国内外用于对接及回收UUV的腹部作业水下机器人的作业方式主要为多机械手协同抓取或液压U型架夹持，这些方式存在控制难度高、体积大、易造成海洋环境污染等缺点［7-8］。本文将研究的腹部作业型水下遥控机器人（简称“腹部作业型ROV”）是利用带导向筒的电驱动腹部作业机构对UUV对接杆进行导向和锁紧，并最终完成UUV的捕获和回收的新型腹部作业型ROV，其腹部作业机构存在体积小、污染低、功耗低等优点。控制系统的可靠性能是腹部作业型ROV完成指定任务的前提和保障。

1 腹部作业型ROV系统组成

腹部作业型ROV系统总体上分为3个组成部分：水面监控台、脐带缆和ROV本体。系统总体技术指标如表1所示，总体结构如图1所示，ROV本体设备布置如图2所示。

腹部作业型ROV在进行UUV捕获回收作业任务时，操作人员首先根据水面监控计算机显示的水下摄像头的视频信息操作手操盒，经由水面监控软件处理后发送给水下控制器，进而驱动ROV本体运动，从而寻找并接近UUV；当ROV靠近UUV时，通过旋转摄像头寻找UUV底部伸出的对接杆；操作ROV使对接杆插入ROV浮力材中央的腹部作业机构锥形导向筒，同时操作腹部作业机构电动推杆（位于ROV艉部中线），使其伸进UUV对接杆锁紧孔，从而完成UUV的捕获和对接任务，对接过程示意图如图3～图4所示。

2 控制系统结构

腹部作业型ROV控制系统结构如图5所示，主要分为水面集控台和水下控制器2大部分，二者直接通过零浮力脐带缆进行数据通信、视频信号传输及电力传递。

2.1 水面集控台

水面集控台由手操盒、水面监控计算机、水面直流稳压电源组成，其组成框图如图6所示。

手操盒由三轴操纵杆、按钮、信号处理板、USB4716采集模块组成。其中信号处理板将输入的DC 26 V电源转换为DC 5 V，进而给操纵杆、按钮等供电并转换为USB4716采集卡输入范围内的模拟和数字信号；USB4716则将采集的信号通过USB总线发送给水面监控计算机。水面监控计算机为研华一体化工业加固计算机，主要由基本板卡、视频采集卡及多串口卡组成，其中视频采集卡采集水下摄像机传回的视频信号，多串口卡则提供RS485串口进而与水下主控制器通信。

为提供良好的可视化人机界面，水面监控软件基于VC++6.0开发，运行于Windows XP操作系统，其运行界面如图7所示，模块组成框图如图8所示。

水面监控软件界面的左侧为腹部ROV摄像机传回的实时视频图像，右侧则为当前ROV工作状态信息，如与手操盒、水下主控制器、主推驱动板（PWM板1）、侧推驱动板（PWM板2）的通信状态以及水下主控制器控制舱漏水检测状态与ROV当前的深度、航向、纵倾和横倾。水面监控软件布局简洁明了，具备良好的可操作性。

水面稳压电源选用朝阳QT30型定制电源，为了保证动力电源和控制电源的可靠隔离，选用两路输出，经过负载功率计算，最终选择动力电源输出为DC 260 V/3 000 W，控制电源为DC 26 V/100 W。其中动力电源输出作为水下推进器、电动推杆、照明灯等设备的主电源，控制电源输出则作为水下控制器各电路板、水下摄像机及云台的供电电源。

2.2 水下控制器

水下控制器安装于外形结构为圆筒型水密耐压壳体的控制舱中（图9）。控制舱整体外形呈圆柱形，长350 mm，直径198 mm，厚9 mm，排水量为10.77 kg，两端是具有O型密封圈的端盖，端盖外表面安装有水密接插件，建立水下控制器与外部设备之间的连接。水下控制器硬件结构图如图10所示［9］。

水下主控单元为PC104嵌入式工业控制计算机，由4块堆栈式模块通过PC104总线互联组成。水下主控单元是控制系统的控制中枢，其软件模块组成如图11所示。水下主控单元负责接收水面监控计算机发送的指令，进行综合处理及解算后，按照一定的时序分发给各驱动板，同时采集并处理来自航姿仪和各驱动板反馈的状态信息，集中发送至水面监控计算机。

驱动单元由主推驱动板、侧推驱动板及隔离驱动板组成，驱动单元作为水下主控单元与外接执行机构的桥梁，主要作用是保证水下主控单元与执行机构间的电气隔离，降低执行机构对水下主控单元的电磁干扰。

3 动力学建模

3.1 六自由度空间运动方程

考虑水下机器人重心G与载体坐标系原点O不重合的一般情况，根据刚体平移运动及旋转运动的关系，可得水下机器人六自由度运动方程的一般形式［10］：

式中：m为水下机器人的质量；xG，yG，zG为水下机器人重心在载体坐标系下的坐标；Ix，Iy，Iz为水下机器人对x，y，z轴的转动惯量；N为ROV转向时所受的合力矩；r为转向角速度；其余各变量的具体含义可查阅文献［10］。

对于ROV，其运动控制一般以遥控模式为主，辅之以自动定深和自动定向控制。故针对本文研究的腹部作业型ROV，可分离出水平面动力学方程及垂直面动力学方程，进而对自动定向控制和自动定深控制进行建模及控制器设计，二者研究方法相似。限于篇幅，本文仅对水平面动力学方程及自动定向控制进行研究。

3.2 水平面动力学方程

对于腹部作业型ROV，其浮力材料位于机器人本体的上部，通过调节配重，可使其在水下工作时处于接近零浮力的状态。通过SolidWorks2012三维建模软件，可计算得到其浮心与重心基本在一条铅垂线上，且浮心的位置比重心高105.280 mm，可保证其拥有较大的回复力矩，故其在纵倾和横倾自由度上具有较强的自稳定性，在分析水平面运动方程时，可以忽略与其相互垂直的平面间的运动耦合，以简化问题。故可分离得到其水平面运动方程为：

本文将载体坐标系原点与水下机器人重心重合，即 xG=yG=zG=0，则水平面运动方程进一步简化为：

3.3 定向控制传递函数

对于ROV的定向控制，其控制框图如图12所示［11］。图中：ψref为给定航向角；e为航向角偏差；n为推进器转速；Tpro为推进器产生的推力矩；ψ为ROV的航向角。

首先，重点分析式（12）。对于水下机器人，其转向时所受的合力矩为

式中：FN为附加转动惯量产生的惯性力矩；RN为所受的阻力产生的阻力矩。由文献［11-12］知：

式中：Nr˙为附加质量；Nr为水下机器人转艏运动的阻力系数；ρ为水的密度；S为等效面积。

联立式（13）～式（15），得

考虑到腹部作业型ROV在自动定向时的角速度较小，故可将 r2在 r=0处泰勒展开，于是式（16）可简化为

式（17）表示了ROV航向角和推进器推力矩的直接关系，对其进行拉普拉斯变换，可得如下传递函数：

由于推进器采用无刷直流电机，其动态特性可简化为惯性环节，将控制信号uc进行归一化，可得传递函数

式中：T为电机的时间常数；Km为电机的放大系数。

推进器模型的精度越高，越有利于最终控制精度的提升，但是精确建模的成本也相对较高。在一般低速水下机器人的应用中，通常假设推进器模型是线性的，且前进和后退的推力对称相等。而且在本文的定向控制策略中，2台主推的给定速度大小始终相同，方向始终相反，进而形成一对力偶以提供转向力矩。于是，可得推进器产生的推力矩与转速间的线性化方程

式中，C为推进器的推力矩系数。故推进器的传递函数如下：

联立式（18）～式（21），可得被控对象的开环传递函数为

对于水动力系数，借鉴其他类似开架式水下机器人，可取 Nr˙=0.3Iz，Nr=0.2［12］。对于 Iz，运用SolidWorks2012三维建模软件中的质量属性可求得 Iz=3.05 kg·m2。对于推进器的电机常数，由于其额定转速为2 000 r/min，即33.33 s-1，故根据放大系数的定义可取Km=33.33；对于T，通过测量和估算可得T约为1.16，不失一般性可取T= 1.2。对于系数C，考虑到推进器额定转速下的推力为25 kgf（245.2 N），且2台主推进器中轴线距离为0.296 m，可求得系数C=25×9.8×0.296/33.33= 2.176。

代入相关系数后，得

4 定向控制器设计

4.1 控制算法选择

ROV的自动定向控制方法有很多种，常见的有PID控制、模糊控制和滑模变结构控制等，每种方法都有各自的优缺点。针对本文所研究的腹部作业型ROV，由于腹部作业机构的存在，使其整体外形不同于一般的开架式ROV。受试验经费和试验条件的限制，难以获取腹部作业型ROV的精确水动力学系数，故3.3节中得到的定向控制开环传递函数中的各项系数与真实值存在一定的摄动。为了保证自动定向控制器的鲁棒性，本文采用对参数摄动不敏感的基于混合灵敏度的H∞鲁棒控制器作为自动定向控制器。

4.2 H∞鲁棒控制器设计

首先将图12中的自动定向控制框图转换为基于混合灵敏度的 H∞控制问题的结构框图，如图13所示。图中：K（s）为定向控制器；Gk(s)为对象传递函数；W1(s)，W2(s)，W3(s)为加权函数；rref为参考输入（即给定航向角）；y为量测输出（即航姿仪测得航向角）；z1，z2，z3为加权后的评价输出。

基于混合灵敏度的H∞控制问题的核心在于求解控制器K（s），使其在闭环系统稳定的前提下，式（24）所示的 H∞范数尽可能最小，或小于某一定值γ。

W1(s)的选取由系统的性能要求决定，对于水下机器人，其参考输入信号和外界干扰通常为低频。为保证系统更精确地跟踪参考输入信号，应使W1(s)具备高增益低通特性。W2(s)通常选取为常数，用于对控制器输出进行限幅。本文ROV中的执行机构主推进器速度存在上限，在3.3节的建模过程中已将控制器输出 uc进行归一化，即uc∈[-1，1]，故在选择W2(s)时必须保证控制器的输出满足 -1≤uc≤1这一限定条件。W3(s)的选取由传感器测量噪声及系统高频未建模动态特性决定，为了抑制测量噪声对系统性能的影响，W3(s)应具备高通特性［13］。

式（24）的解法主要为Ricaati方程求解法和线性矩阵不等式（LMI）法，由于LMI法的正则约束条件较少，本文选用LMI法求解式（24），以得到满足条件的 H∞鲁棒控制器K（s）。通过在仿真软件Matlab中多次调试并观察系统阶跃响应及控制器的输出，最终确定加权函数的选择为：

经多次迭代求解得到的H∞鲁棒控制器为

同时得到的γ值为1.561，可以看出，求解得到的控制器为4阶控制器。

5 仿真及试验

5.1 数字仿真

首先，以式（23）求得的开环传递函数作为标称模型，在Simulink中搭建仿真环境进行数字仿真，将H∞鲁棒控制器、常规PID控制器及模糊控制器的阶跃响应进行对比，如图14所示。从图14中可以看出，相对于常规PID控制器和模糊控制器，采用H∞鲁棒控制器的响应时间更短，而且几乎无超调。

考虑在式（23）的开环传递函数推导过程中，腹部作业型ROV绕z轴的转动惯量 Iz由Solid⁃works软件计算所得，假设其与实际值存在一定的偏差，同时在作业过程中，由于腹部作业机构电动推杆的位移变化也会引起Iz的变化，故将 Iz增大20%。此时被控对象的传递函数会发生变化，在控制器不变的情况下，模型发生变化时的阶跃响应对比如图15所示。对比图14和图15可得，转动惯量增大20%后H∞鲁棒控制器的响应时间有所增加，但其超调量仍明显小于PID控制器，响应时间则明显优于模糊控制器。

在转动惯量Iz增大20%的基础上，再考虑电机时间常数随水下环境变化存在一定的偏差，不妨将时间常数T缩小20%，即T=0.96。被控对象模型再次改变时，在控制器不变的情况下，阶跃响应对比如图16所示。

最后，考虑到未来的二期项目，若经费充足，腹部作业型ROV存在进行海洋环境下试验的可能性。在控制系统仿真中加入环境扰动，即在图16的条件中增加海流干扰项，测试控制器在海流干扰下的鲁棒性。不失一般性，假设海流与ROV的相对流速为1 kn，阶跃响应对比如图17所示。

对比图14～图16可以看出，在腹部作业型ROV定向控制模型存在一定参数摄动的情况下，采用H∞鲁棒控制器的阶跃响应效果始终优于常规PID控制器和模糊控制器，且始终无明显超调，无振荡，具有较强的鲁棒性。增加海流扰动后，采用H∞鲁棒控制器的阶跃响应虽出现轻微超调和振荡，但是其综合性能仍然明显优于PID控制器和模糊控制器。

5.2 调试及试验

1）通信单项试验。因控制系统在一个控制周期内要完成与航姿仪、水面监控计算机、主推驱动板及侧推驱动板的RS485串口通信，必须通过试验确定合适的控制周期和通信波特率。最初确定的控制周期为200 ms，除航姿仪通信波特率为19 200 bit/s外，其余三者的波特率均为9 600 bit/s。为了提高控制系统的实时性，缩短控制周期，将水面监控计算机、主推驱动板、侧推驱动板与PC104嵌入式工控机的通信波特率均改为38 400 bit/s，航姿仪通信波特率不变，但是有效数据刷新周期改为100 ms。采取上述措施后，控制周期缩短为100 ms，较最初缩短50%，如表2所示。

2）系统联调试验。此项试验主要是在实验室环境下，将腹部作业型ROV的设备集成后进行联合调试。经测试，控制系统能够稳定运行。

3）对接及回收任务水池试验。因项目进度要求，现阶段的水池试验以遥控模式下的UUV搜寻、对接及回收试验为主，同时进行一定的自动定深/定向试验研究。经多次水池试验的经验积累，目前操作人员通过观察水面监控软件视频显示界面，已能顺利完成UUV的搜寻、对接及回收任务（图18～图19），试验记录如表3所示，受试验条件限制，最大仅模拟1 kn水流。由于腹部作业型ROV具有良好的水平面运动能力，即使初始艏向角偏差较大，对接回收的成功率仍可达90%，满足项目需要。

4）自动定向试验。现阶段以全流程人工回收试验为主，通过不断摸索提高操作人员的熟练度。同时，辅之以少量的自动定向控制试验研究，为后期的二期改造项目中基于视觉的自主对接回收作业课题打下基础。由设定初始艏向夹角为90°时的腹部作业机器人自动定向试验结果（图20）可以看出，自动定向试验过程中艏向角几乎无超调，仅存在轻微抖动，整体上升平滑，控制效果良好。

6 结 语

本文介绍了一种新型腹部作业型ROV的系统组成及作业特点，并针对控制系统的硬件架构和软件架构进行了详述。通过对水下机器人六自由度空间运动方程进行简化，得到水平面自动定向控制传递函数，并设计了基于混合灵敏度的H∞鲁棒自动定向控制器。仿真结果表明，相比传统的PID控制器，H∞鲁棒自动定向控制器具备更好的静、动态性能，在参数存在一定摄动的情况下仍表现出良好的鲁棒性。本文提出的软硬件设计架构和控制算法对于其他移动机器人、无人机、仿生机器人的控制系统开发均具有参考意义。目前，腹部作业型ROV已完成遥控模式下的各项功能开发、对接、回收任务以及一定的自动控制试验，在后期的二期项目中将进行基于视觉的自主作业等试验课题研究。

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Development of control system in abdominal operating ROV

ZHANG Weikang1，WANG Guanxue1，XU Guohua1，LIU Chang1，SHEN Xiong2
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China

In order to satisfy all the requirements of Unmanned Underwater Vehicle（UUV）recovery tasks, a new type of abdominal operating Remote Operated Vehicle（ROV）was developed.The abdominal operating ROV is different from the general ROV which works by a manipulator,as it completes the docking and recovery tasks of UUVs with its abdominal operating mechanism.In this paper,the system composition and principles of the abdominal operating ROV are presented.We then propose a framework for a control system in which the integrated industrial reinforced computer acts as a surface monitor unit, while the PC104 embedded industrial computer acts as the underwater master control unit and the other drive boards act as the driver unit.In addition,the dynamics model and a robust H-infinity controller for automatic orientation in the horizontal plane were designed and built.Single tests,system tests and underwater tests show that this control system has good real-time performance and reliability,and it can complete the recovery task of a UUV.The presented structure and algorithm could have reference significance to the control system development of mobile robots,drones,and biomimetic robot.

abdominal operating ROV；control system；PC104；H-infinity robust control

U674.941

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.016

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1556.008.html

张玮康，王冠学，徐国华，等.腹部作业型水下机器人控制系统研制［J］.中国舰船研究，2017，12（2）：124-132.

ZHANG W K，WANG G X，XU G H，et al.Development of control system in abdominal operating ROV［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：124-132.

2016-07-08 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-3-13 15:56

张玮康，男，1992年生，硕士生。研究方向：水下机器人控制技术。

E-mail：zhangweikanghust@163.com

徐国华（通信作者），男，1965年生，博士，教授，博士生导师。研究方向：水下机器人，智能控制技术。E-mail：hustxu@vip.sina.com

期刊网址：www.ship-research.com