ROV運動控制技術綜述

劉 鑫，魏延輝，高延濱

(哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱 150001)

ROV運動控制技術綜述

劉 鑫，魏延輝，高延濱

(哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱 150001)

水下機器人(ROV)是人類在海洋探索和開發中的重要工具，而運動控制技術是ROV的關鍵技術之一，是各國研究機構的研究熱點。綜述了國內外主要的ROV運動控制技術，總結了ROV運動控制技術的主要研究內容及關鍵技術，并對ROV運動控制技術進行了展望。

水下機器人;運動控制;關鍵技術

海洋蘊藏著巨大的經濟潛力，受到世界各國的廣泛關注。隨著科學技術的發展，近年來人們逐漸把注意力投向作為海洋資源開發工具的各種海洋機器人的研發中。智能海洋機器人由于在實際作業中無須人工干預，可以自主運行于難以接近和無法預知的海洋環境中，完成自主導航、自主避障和自主作業等任務，因此無論在軍事還是國民經濟中都有無可比擬的優越性［1］。

水下機器人(remote operated vehicle，ROV)是海洋機器人的一種，能通過人的遠程操控代替人在深海環境進行作業，是一種人工智能系統，其自身具有很強的自主性、記憶性，還可根據具體的實際情況做出相應的改變［2］。操作人員只需將任務下達給ROV，實際操作全由ROV自主完成。

ROV作為一種人工智能系統，具有智能形式的運動控制技術就成為ROV技術中最為關鍵和重要的技術。只有解決了ROV自身的運動控制問題，才能保障機器人按照預定的指令和規劃完成工作。因此，研究ROV的運動控制具有重要意義。

1 ROV運動控制技術

1.1 ROV運動控制技術的發展歷程

ROV作為目前應用最為廣泛的一類海洋機器人，其運動控制技術的發展與科學技術的進步緊密相連。縱觀ROV的發展歷史可以看出，ROV的運動控制技術的發展大致可以分為如下3個階段:

1)模擬控制技術階段。這個階段為水下機器人發展的初期，大約從20世紀50年代到70年代初，處于模擬控制技術階段。在這個階段，ROV的運動控制系統大量采用模擬電子技術，控制系統由大量的分立元件組成。因此，電子設備體積龐大，元件數量多、功耗大、可靠性差［3］。

2)模擬－數字控制技術階段。隨著數字技術的發展，20世紀70年代開始出現采用模擬－數字混合電子技術的水下機器人運動控制系統，這其中還包括采用單片機的控制系統。數字技術和單片機的應用不僅使控制設備的體積縮小，而且使得ROV的性能和可靠性得到了提高［2－3］。

3)計算機控制技術階段。從20世紀80年代中期以后，電子計算機技術被廣泛應用于水下機器人運動控制領域，所以將這一階段稱為計算機控制技術階段。在這一階段，隨著計算機的普遍應用和大規模集成電路技術的飛躍發展，電子元件的集成度越來越高，電子設備所占的空間大大減小［2－4］。計算機技術在 ROV中的應用促使ROV運動控制技術發生了巨大的變化，新一代的采用更新型技術的ROV已經呈現在我們面前。

1.2 國內外典型ROV及運動控制技術

國外對于ROV的研究起步比國內早，其研制始于20世紀50年代［4］。1960年，美國率先研制出世界上第一臺 ROV——“CURV 1”，如圖 1所示。

圖1 世界上第一臺ROV

1966年，“CRUV 1”與載人潛水器配合，在西班牙外海海底找到了一顆失落的氫彈，這在當時引起了極大的轟動。從此，ROV的研究得到了世界各國的重視［4］。在20世紀70和80年代，ROV進入了商業化發展階段。在1975年，Hydro Production公司研發了第一臺商業化的 ROV——“RCV－125”，其主要任務是進行水下管道的連接和水下鉆井工作［5］。隨后很長的一段時間，ROV主要用于軍事方面，主要用于探測和銷毀水雷。比較先進的有法國的“PAP104”、意大利的“PLUTO－plus”、德國的“企鵝－B3”、瑞典的“海鷹”和加拿大的“開路先鋒”等［6］。

1982年，美國研制成功的“MAX Rover”ROV被正式應用于油田開發。這種ROV經過多年的發展，已經成為世界上最先進的全電力工作級ROV，潛深達3 000 m，安裝有水下TV、聲納、5自由度機械手、自動導航和定位設備等，還擁有4個均衡控制的高速液壓推進器，每個推進器提供113 kg的推力［7］。在1985年，Jung等［8］將滑模控制器用于水下纜控機器人的軌跡控制，并在此基礎上深入研究了水動力導數的相關特性。1990年，Gewonder等［9］提出一種多變量自適應控制器，用于解決ROV在自動控制時運動模型不確定的問題。同年，日本成功研制了“KAIKO”(海溝號)ROV (圖2)，該機器人長3 m，重5.4 t，可以到達海洋的最深點——10 911.4 m的馬里亞納海溝。

“海溝號”的2個潛器系統發射器通過12 000 m的光纖與母船相連，再通過250 m的二級電纜與潛器相連。該潛器可以在半徑200 m的范圍內自由運動。“海溝號”有3個任務模式:一是通過拖曳系統調查6 500 m的海床;二是將海床的研究拓展到整個海洋;三是為 SHINKAI6500提供救援［10］。

圖2 日本“KAIKO”(海溝號)ROV

1992年，Murong等［11］在對ROV進行深入的運動學分析的基礎上，提出了一種非線性4自由度的跟蹤控制方法，包括對水下機器人舷向、縱傾、橫傾和縱向位置等4個方面的控制。在1994年，Derbtoy等研究了一種基于14個模糊規則的模糊控制器，并將其成功應用于水下纜控機器人的深度控制方面。同年，Mutu等［12］針對欠驅動的ROV開展速度和位置控制研究，通過試驗驗證了離線神經網絡控制器、在線神經網絡控制器、基于非回歸的自適應控制器和模糊控制器等4種不依賴模型的運動控制系統。1998年，Yiss等［13］提出了自主神經網絡控制系統，將其成功應用于舷向控制，并通過仿真試驗驗證了該方法的有效性。

國內對于水下機器人的研究起步于20世紀70年代末，相比歐美國家和日本處于落后水平。目前，我國比較先進的ROV是“海龍號”深海機器人，它由上海交通大學的科研團隊歷經9年完成。ROV一般由臍帶纜連接，但是海洋是變幻莫測的，風浪常常會使臍帶纜斷裂，這樣耗資巨大的ROV就會沉入海底。“海龍號”在前人的基礎上解決了臍帶纜斷裂的問題，這一技術具有我國自主知識產權［14］。圖3為我國目前最先進的ROV——“海龍號”。

在“海龍號”水下ROV研制成功的基礎上，上海交通大學水下工程研究所就水下ROV的運動控制技術開展了如下工作:

1)對ROV動力定位系統(DP)的控制時序和事件觸發邏輯進行了分析和設計。解決了包含有核心控制策略算法的動力定位系統與ROV自身水下計算機(下位機)之間的控制時序的匹配問題，以及事件觸發邏輯關系的相互響應問題。此外，采用線程同步和時鐘校驗的方法以確保動力定位系統對通訊數據包的實時跟蹤處理。

2)在“海龍號”控制系統的基礎上擴展開發了一套具有虛擬監控(VMS)功能和動力定位(DP)功能的軟件。此軟件不僅能仿真ROV的水下作業過程，并且能實時對ROV的水下作業進行控制。

3)基于軟件平臺Multigen Creator和Vega開發深海潛水器近海底作業視景仿真系統。通過運用Vega視景仿真軟件平臺所提供的碰撞矢量方法這一先進的仿真技術，模擬安裝在潛水器實體上各種聲納或傳感器的功能，用以實現潛水器在深海環境下對其作業路徑上障礙物的規避及對其作業路徑起伏的及早預知。

2002年，中科院沈陽自動化研究所研制成功中國第一臺能夠進行水下作業的 ROV——“CISTAR”。隨后幾年，又相繼地研制出“海人一號”和“金魚三號”。沈陽自動化研究所主要在以下3方面取得進展:在虛擬三維模擬技術的基礎上深入研究了水下ROV避障問題;將三維障礙物描述、避障聲納布置、避障聲納探測區域和運動控制統一起來，建立了三維水下障礙物模型，并針對不同障礙物類型采取相應的避障措施;提出了一種基于水平面模糊避障規劃和垂直面模糊避障規劃相結合的三維實時避障規劃方法。

哈爾濱工程大學在水下ROV運動控制方面也有著突出的貢獻。劉學敏教授［15］提出了一種基于PD和模糊控制的S面控制方法，并且通過試驗驗證了此方法的可行性。王麗榮等［16－17］在 S面控制方法的基礎上提出了將sigmoid函數開方得到亞S面控制方法，用于提高控制的響應速度。甘永等［18］提出了一種并行神經網絡控制器，用于解決傳感器在短時間內無數據情況下的控制問題。

表1和表2分別列舉了一些國內外典型的ROV參數。

表1 國外ROV參數

表2 國內ROV參數

目前，我國正自主研發首個載人7 000 m ROV，將于2014年年底進行下水試驗。

1.3 ROV運動控制技術的研究內容

在ROV的運動控制方面有兩個主要的研究方向:運動控制系統的基本回路和航行控制的閉環控制算法［17］。ROV在運動狀態下能夠保證自身的穩定是其進行水下作業的前提，而能夠精確控制ROV的運動軌跡才能保證水下機器人按照人們的意愿去工作。

1)運動控制系統的基本回路。為使問題簡單化并且獲得良好的控制效果，大多數ROV采用單回路閉環控制，如深度回路(定深控制)、高度回路(定高控制)、艏向角回路(定向控制)、距離回路(自動定距控制)、位置回路(自動定位控制)、速度回路(恒定航速控制)等。這里需要說明的是，ROV在實驗和應用中，上述的回路會存在相互的影響，如自由度的耦合、控制時其他回路的干擾等，這些影響與執行機構的種類、執行機構的布置、機器人的運動狀態等諸多因素相關。

2)航行控制的閉環控制算法(軌跡控制)。在控制的基本回路的基礎上，還需要一定的控制算法才能實現對ROV運動的精確控制。常用的控制算法有PID控制、模糊控制、自適應控制、神經網絡控制等［19］。

單獨的某種控制算法都會有其局限性，國內外的研究人員在分析上述控制算法的基礎上，為發揮不同算法的優點，正嘗試將上述控制算法相結合以形成新的控制算法。

2 ROV運動控制的關鍵技術

總的來說，水下ROV的運動控制應主要解決如下幾個問題:

1)運動控制體系和運動控制結構的設計。這個問題的解決需要與ROV實際工作特點和工作方式相結合。運動控制體系結構的設計需要從穩定性、準確性和快速性3個方面考慮。ROV實際工作環境的不同對這3個參數的要求也不同。

2)ROV在水下運動時自身的穩定控制技術。在這個方面對穩定性和快速性的要求比較高。ROV是一個動態的作業工具，在其處于運動狀態時，自身的穩定控制能力是其工作的基礎。在運動穩定性控制方面，著重需要考慮的是ROV在遇到突發的海流沖擊情況下如何快速恢復自身的穩定狀態。

3)ROV在行進間的軌跡控制和避障技術。精確的軌跡控制是ROV為人類服務的基礎。而在預先的軌跡上遇到突發障礙物的情況下，如何快速地調整運動軌跡完成預先設定的任務是研究的重點。在這個方面對ROV運動控制的快速性和準確性要求比較高。

目前，國內針對上述ROV運動控制的比較典型的研究成果如下:

1)基于信息流的ICE基礎運動控制方法。這是一種針對信息流依次經過水下機器人的信息層(information)、控制層(control)、執行層(execute)所建立的一種水下纜控機器人ICE基礎運動控制體系結構，是一個完善的基礎運動控制體系，能為高層智能規劃系統提供所需的信息，獲得精確的運動控制能力［20］。

在ICE基礎運動的基礎上提出一種基于三點滾動的野點剔除法，能實現對采樣頻率較高的傳感器數據的野點剔除。該方法解決了光纖陀螺數據由野點數據引起的積分誤差問題，使光纖陀螺積分測得的艏向角滿足了ROV的設計要求［20］。同時將定向、定深及懸停的基本控制回路及控制策略應用到了水下機器人的控制上，通過對實驗數據曲線的分析，驗證了定深、定向及懸停的基本控制回路及控制策略的可行性。

2)S面控制器。早在2001年就已經有人提出工程中比較實用的S面控制器。該控制器結合了PD控制的簡單結構和模糊控制的基本思想。它不僅可以簡化控制器的設計環節，而且可以有效減少控制器的調節參數，最終保證水下機器人非線性控制的控制效果。但是這個控制器不具備自學習功能［21］。為了給S面控制器增加自學習的能力，使得控制器具有更好的性能，有科研人員在S面控制器中引入了神經網絡的自學習功能，借鑒神經網絡的誤差反向傳播算法來改善水下機器人控制性能。而后李燁等［22］將遺傳算法引入到S面控制器中，利用遺傳算法優化S面的控制參數，從而降低控制器設計過程中存在的主觀影響。

3 ROV運動控制技術的發展前景

1)向高穩定性方向發展，抗干擾能力不斷加強。ROV技術經過多年的研究，各項技術正在逐步走向成熟。ROV技術的發展將致力于提高觀察能力和頂流作業能力，加大數據處理容量，提高操作控制水平和操縱性能，完善人機交互界面，使其更加實用可靠。

2)在穩定性的前提下，不斷提高ROV水下工作的效率(快速性和準確性)。未來各國之間對海洋資源的爭奪必將是激烈的。在相同的工作時間內，盡可能提高ROV水下工作的效率，是對運動控制方法的一大考驗［23］。

3)盡可能提高深海的穩定工作時間。地球上97%的海洋深度在6 000 m以上，稱之為深海。隨著海洋油氣等資源的開發走向深海，必然要求ROV向更大作業深度發展。如今，世界各國都在加大力度研制潛深超過6 000 m的深水ROV。但目前世界上能夠在深海保持穩定的工作狀態的ROV的工作時間不超過5 h。所以，真正提高ROV在深海的穩定工作時間是未來的一大控制難題。

4)對新概念ROV的有效控制［24］。多媒體技術、臨場感技術及虛擬現實技術等新型技術在ROV中的應用將產生新一代全新概念的ROV。如何有效控制新概念的ROV，使其更好地為人類服務，也是今后的技術難點。

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(責任編輯 劉 舸)

Review of ROV Motion Control Technology

LIU Xin，WEI Yan－hui，GAO Yan－bin
(School of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Remote operated vehicle(ROV)is an important tool for human in ocean exploration and development.Motion control technology is one of the key technology of the ROV and becomes a hotspot of research.This paper describes the main ROV motion control technology at home and abroad，summarizes the ROV motion control technology，the main research contents and key technologies，and discusses the research prospect of ROV motion control technology.

remote operated vehicle;motion control;key technology

TP24

A

1674－8425(2014)07－0080－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.016

2013－12－28

國家自然科學基金資助項目 (51205074);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20112304120007);黑龍江省教育廳博士后研究人員科研啟動基金資助項目(LBH－Q10129);哈爾濱市科技創新人才研究專項資金資助項目(RC2012QN009037);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(HEUCFR1011)

劉鑫(1990—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事水下ROV的運動控制方法及水下ROV運動避障問題研究。

劉鑫，魏延輝，高延濱.ROV運動控制技術綜述［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(7):80－85.

format:LIU Xin，WEI Yan－hui，GAO Yan－bin.Review of ROV Motion Control Technology［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):80－85.