遙控水下機(jī)器人擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 胡 波 田烈余 陳春亮

1.前言

海洋占地球總面積的70.8%，蘊(yùn)藏著豐富的海洋資源，要開發(fā)和利用海洋，就必須了解和探索海洋。遙控水下機(jī)器人（ROV）作為先進(jìn)的海洋探測工具已經(jīng)廣泛應(yīng)用到海洋環(huán)境，海洋工程和海洋地質(zhì)等方面的科學(xué)考察上。目前世界上很多海洋科研機(jī)構(gòu)都配備有用于科學(xué)考察的ROV系統(tǒng)，如日本JAMSTEC（日本海洋技術(shù)研究中心）配備有Kaiko號ROV系統(tǒng)，美國WHOI（伍茲霍爾海洋研究所）配備有JASON號ROV系統(tǒng)，法國Ifremer（法國海洋開發(fā)研究院）配備有Victor 6000ROV系統(tǒng)，我國的大洋一號和海洋六號船分別配備有海龍?zhí)柡秃＊{號ROV系統(tǒng)。ROV不僅作為一個深潛器工具，更重要的是作為一個海洋科學(xué)考察和科學(xué)研究平臺，可以根據(jù)海洋科考的需要而配置和搭載不同的傳感儀器及取樣作業(yè)工具，為海洋探測提供了靈活多樣的技術(shù)方法。

Hysub130遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle，以下簡稱ROV）系統(tǒng)是國內(nèi)首套4000米級深海作業(yè)型ROV，以海洋六號船為母船，主要用于我國海洋資源調(diào)查和海洋科學(xué)調(diào)查，也可以進(jìn)行水下拯救和打撈等工程作業(yè)。為了獲取海底目標(biāo)點(diǎn)的海洋物理環(huán)境參數(shù)，很有必要對ROV系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，以便大大提高ROV系統(tǒng)的集成作業(yè)能力。本文以Hysub130 ROV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系為基礎(chǔ)，介紹了其功能擴(kuò)展。

2.總體概述

Hysub130 ROV的控制系統(tǒng)主要是由甲板控制室和水下電子艙組成，二者之間通過臍帶纜單模光纖通過光端機(jī)進(jìn)行通訊。水下電子艙cPCI計(jì)算機(jī)和甲板控制室的水面控制計(jì)算機(jī)組成基于100/1000 Base T以太網(wǎng)分布式控制體系架構(gòu)，為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供接口。

常規(guī)海底傳感器比如CTD和甲烷傳感器等在ROV系統(tǒng)上的擴(kuò)展應(yīng)用主要包括通訊和控制三部分，Hysub130 ROV系統(tǒng)為方便用戶擴(kuò)展專門設(shè)計(jì)提供了擴(kuò)展電子艙，主要的功能擴(kuò)展都在擴(kuò)展電子艙里展開。

控制系統(tǒng)的電源擴(kuò)展主要是利用ROV系統(tǒng)的備用120VAC電源在擴(kuò)展電子艙里進(jìn)行24伏直流電源模塊的擴(kuò)展，用于給擴(kuò)展傳感器及其擴(kuò)展控制板供電。通訊和控制的擴(kuò)展是基于ROV以太網(wǎng)分布式控制體系進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展電子艙通過網(wǎng)絡(luò)與主控電子艙里的光端機(jī)連接，將其內(nèi)的串口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接到ROV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展RS232串口為傳感器及其嵌入式控制板提供通訊通道。ROV控制室內(nèi)的擴(kuò)展應(yīng)用上位計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)來控制傳感器開關(guān)并接收其采集到的數(shù)據(jù)。擴(kuò)展電子艙提供有水密接頭的擴(kuò)展接口，通過水密纜及接插件連接擴(kuò)展用海底傳感器。

3.通訊接口擴(kuò)展

3.1 以太網(wǎng)串口服務(wù)器（ESP904）

ESP904是B&B公司專為苛刻的工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的VlinxTM ESP系列以太網(wǎng)串口服務(wù)器，可自動偵測10/100Mbps以太網(wǎng)端口，支持TCP服務(wù)器、TCP客戶端、UDP、虛擬COM和配對（Pair）模式，可設(shè)置RS-232、RS-422或者RS-485端口及半/全雙工通訊方式。ESP904提供有不同的接口方式來配置以太網(wǎng)串口服務(wù)器，主要包括ESP管理器軟件、網(wǎng)頁服務(wù)器、控制臺模式和遠(yuǎn)程登錄模式等，ESP904靈活的配置和用戶管理軟件可以很方便滿足用戶的通訊擴(kuò)展需求。

為了實(shí)時接收和顯示傳感器數(shù)據(jù)，在ROV控制室配置有用戶PC，因而將VLINX ESP管理器安裝在用戶PC上，運(yùn)行VLINX ESP管理器后自動尋找并顯示網(wǎng)絡(luò)上所有ESP904串口服務(wù)器的名稱、IP地址、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、端口號及端口狀態(tài)，選擇串口服務(wù)器上與傳感器設(shè)備相連接的串行端口，為了滿足傳感器設(shè)備的通訊要求，將ESP904設(shè)置為TCP服務(wù)器并配置為虛擬COM口模式，并在ESP管理器上設(shè)置與擴(kuò)展傳感器設(shè)備相匹配的波特率。ESP管理器軟件中的Install Virtual COM在windows中安裝完驅(qū)動程序后，虛擬串口驅(qū)動的就是TCP或者UDP客戶端，新的COM口出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的Windows設(shè)備管理器中，從而在ROV控制系統(tǒng)的局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)串口服務(wù)器的IP地址間創(chuàng)建了一個虛擬的連接，局域網(wǎng)對程序和串口設(shè)備是透明的，串口設(shè)備與PC上的物理COM口建立了直接連接。虛擬串行端口軟件將應(yīng)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)包，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ESP904，ESP904將IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP904上的串行端口。

3.2 控制系統(tǒng)擴(kuò)展

水下變壓器提供的120VAC交流電通過Victor的FARM模塊進(jìn)行過濾和整流，以滿足控制系統(tǒng)的電源需求。為考慮后期擴(kuò)展設(shè)備的需求，DC-DC直流轉(zhuǎn)換模塊的輸出功率為320W@24伏，因此選擇來自于FARM模塊的輸出功率為375W（假定直流轉(zhuǎn)換模塊的效率為85%），選擇V300A24C500BL為DC-DC轉(zhuǎn)換器，提供24伏直流電源輸出。FARM模塊具有一個AC前端模塊，可兼容Vicor的300V的輸入DC-DC轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，高密度和低功耗的開關(guān)電源。該模塊包括一個微控制器，可連續(xù)監(jiān)視AC控制線橋接器/倍增器操作，具有EMI濾波，能自動調(diào)節(jié)整流，限制浪涌電流和過電壓保護(hù)，用戶只需要添加的保持電容和幾個分立元件，以滿足系統(tǒng)的要求保持。

通過電源和通訊通道擴(kuò)展之后，ROV控制室和水下部分之間就建立了連接，水下嵌入式控制板采用的是32位ARM芯片，主要功能是與上位機(jī)控制軟件建立通訊并執(zhí)行上位機(jī)軟件發(fā)送的命令控制CTD等傳感器設(shè)備的電源，并將電源開關(guān)狀態(tài)返回給上位機(jī)軟件。上位計(jì)算機(jī)成功安裝完ESP904驅(qū)動后，局域網(wǎng)對程序和串口設(shè)備是透明的，可以在上位計(jì)算機(jī)的設(shè)備管理器里找到擴(kuò)展電子艙里的ESP904通過網(wǎng)絡(luò)虛擬的4個串口，并將其中的2個串口分別分配給傳感器和嵌入式控制板的上位機(jī)軟件。

4.小結(jié)

Hysub130 ROV系統(tǒng)的功能擴(kuò)展模塊集成到ROV系統(tǒng)后，通過該系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，該擴(kuò)展技術(shù)方案完全可行。隨著ROV系統(tǒng)在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的廣泛應(yīng)用，ROV系統(tǒng)需要配置和擴(kuò)展更多的傳感器和工具，該擴(kuò)展接口完全能夠滿足擴(kuò)展傳感器和工具的需求，為將來更多的海洋傳感器在ROV上的應(yīng)用提供了技術(shù)方法參考和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，使得ROV系統(tǒng)在我國的海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中能夠發(fā)揮更大的作用。

[1]蔣新松.水下機(jī)器人[M].遼寧出版社，2000.

[2]Don Muth，Jordan Peey，Gina Millar，Hysub130 System User’s Manual[M].International Submarine Engineering Ltd，2009:6-50.

[3]陳宗恒，盛堰，張錦煒.以太網(wǎng)串口服務(wù)器ESP904的特性及其在ROV上的應(yīng)用[J].電子元器件應(yīng)用，2010，10（12）:15-18.

[4]FARM Filter/Autoranging Rectifier Module Data Sheet[M].Vicor Corp，2009:1-13.

[5]陳宗恒，盛堰，陶軍.遙控水下機(jī)器人（ROV）結(jié)構(gòu)綜述——以hysub130-4000ROV系統(tǒng)為例[J].海洋地質(zhì)，2009（3）:64-71.