基于水下激光雷達傳感的液壓飛頭對接系統與控制技術研究

程友祥，葉天源，譚西都，劉晨曦，宋琦

（重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶 401121）

基于水下激光雷達傳感的液壓飛頭對接系統與控制技術研究

程友祥，葉天源，譚西都，劉晨曦，宋琦

（重慶前衛海洋石油工程設備有限責任公司，重慶 401121）

液壓飛頭水下對接質量很大程度上受水下機器人（ROV）定位導航精度的制約。針對對接過程中聲學傳感器的作用距離無法覆蓋、圖像傳感器無法適應惡劣水質環境的問題，提出了基于水下激光雷達與ROV位姿傳感器的液壓飛頭對接系統以及相應的多傳感器信息融合算法和ROV定位導航控制方法，改善ROV操作水下多功能快速接頭的精度，實現其快速準確對接，并通過實驗驗證，為ROV在深海環境作業節約寶貴時間。

液壓飛頭；水下激光雷達；ROV

液壓飛頭又稱水下多功能液壓快速接頭（Multi Hydraulic Quick Connector），簡稱為 MQC，是用來在水下同時連接多個單路液壓接頭的裝置，可以同時連接或斷開多條液壓管路，多用于海洋石油工程的水下油氣生產系統中高壓注醇、注化學藥品、注水和注氣，以及液壓控制，是水下生產系統的核心裝備之一。利用水下生產系統進行深水油氣田的開發，可有效解決深水開發中的很多技術難點，如水深對平臺和設備的影響較小、能適應不同型式的立管、成本相對干式采油樹較低等。

由ROV完成其連接和斷開的操作，在對接之前，ROV需要到達一個合適對接操作的位置，但由于傳統的聲學和攝像傳感器定位精度受限，需要花費大量的時間進行多次嘗試，因此， ROV到達最合適作業位置并用機械手鎖緊把手固定其位置是最關鍵技術之一。盡管目前國內在基于ROV水聲定位系統的多功能液壓快速接頭對接研究已取得一定的成果，但水聲定位系統進行定位存在兩個問題，一是聲學傳感器的測量精度較低；二是數據刷新頻率受限于聲波在水中的傳播速度。所以本文對環境未知情況下ROV的自身定位技術進行了研究，提出了一種基于水下激光雷達傳感原理的新型組合定位方法。

1 MQC的結構與工作原理

水下多路液壓快速接頭是用來接通多個水下管路的裝置，可用以接通或斷開多路液壓管路。根據需要，上面一般可安裝4～32個各種不同的水下接頭，MQC需要對接頭的正確連接提供軸向和旋轉方向的導向，并提供一個足夠大的鎖緊力以抵抗在連接過程中由于管道中的液體壓力產生的分離力，這就需要MQC具有一套可靠的鎖緊機構，能夠將兩端的接頭安裝板可靠的鎖緊在一起，從而確保接頭可靠的密封和導通。一套完整的MQC裝置由以下幾個部分組成，如圖1所示。

圖1 MQC裝置組成部分

MQC裝置其對接過程可分為以下幾步。第一步，取下移動端的防塵帽，防塵帽是用來在下水前保護移動端的，防止外界對移動端的污染和破壞，其結構較簡單。第二步，取下固定端和暫置位保護帽，當沒有移動端安裝時，保護帽是用來保護長時間安裝在海底的固定端和暫置位，以防止海底的沙泥對固定端和暫置位的污染，還可以阻止海里的碳酸鈣在公接頭上凝結。第三步，ROV通過機械手操作移動端插入到固定端口，使用扭矩工具完成對接，以實現管路的連通。移動端上安裝有相應的多個母接頭，軸向或圓周方向上的定位銷或鍵，以及相應的鎖緊機構；固定端固定安裝在水下設備（如采油樹）上，安裝有多個公接頭，軸向和圓周方向上的導向套或導向槽，以及相應的鎖緊機構。第四步：完成連通需求后，移動端從固定端上拔出，在沒有收回到海上時，需要將移動端暫時的放置在暫置位上，用來給移動端提供陰極保護，暫置位的結構和尺寸和固定端是一樣的，唯一的區別是其上安裝的不是真正的公接頭，而是一種仿真的公接頭，這種接頭不起導通作用。

2 基于水下激光雷達與ROV位姿傳感器對接系統

MQC對接系統由ROV本體、水下激光傳感器、羅盤、IMU、攝像系統與聲吶系統等組成，如圖2所示。

圖2 對接系統ROV構成

ROV遠距離探測目標方位時，依然通過傳統的聲吶定位系統完成，當ROV機械臂通過扭矩工具使MQC對接的過程中，是依靠攝像系統生成的圖像信息來操作完成，然而在中距離定位到MQC對接的中間距離（在2～4m）時，限于聲學系統與圖像系統在該區段的分辨精度低，而水下激光雷達可在該區段保持較高的定位精度，提出基于水下激光雷達的對接系統來提高該區段對接快速準確性，其工作性能的顯著提高主要體現在機械手臂在對接之前抓取并鎖緊固定把手位置的準確性上。傳統的依靠聲吶與攝像對接方式在抓緊并鎖住ROV到合適的操作對接位置需要嘗試平均4～6次，而基于水下激光雷達的對接方式大大縮短了機械手抓取次數（圖3）。

圖3 ROV機械臂抓住并鎖緊固定端

水下激光傳感器是基于飛時傳感法 (Time of Flight)簡稱TOF。其工作原理是從激光頭發出激光射線，等待接收從物體上反射的激光信號，利用發送和接收的激光飛行時間來計算測量距離，原理如圖4所示。由于其獨特的測量原理，激光傳感器具有高速、精準等特點。與聲納相比，ROV配備水下激光傳感不存在散射問題，激光受入射角的影響也非常小，在一般的物體表面上，即使入射角接近90°時激光仍能夠按入射方向返回,因此可以得到十分精確的數據。而這正好滿足了ROV對于環境感知傳感器在實時性和準確性方面的要求。但是激光傳感器的測量數據受到自身溫度變化導致的漂移與激光雷達相近頻率成分的光源干擾、混合像素干擾、放射性障礙物表面導致的測量誤差、障礙物遮擋造成的掃描盲區等。

圖4 飛時傳感法的測量原理

為克服激光傳感器在某些特定環境下所測數據存在的不足，將水下激光雷達與ROV位姿傳感器組合使用，因此，ROV除配備有水下激光雷達外，還使用HMR3000型三軸磁羅盤，其由Honeywell公司生產，可測量ROV的艏向角、縱傾角和橫傾角。數據更新頻率為十幾赫茲，測量精度為0．1度。由于磁羅盤容易受鐵磁性物體和電機電磁場的干擾，因此將羅盤壓力筒安裝在的前上部，將外部干擾的影響降到最低。使用IMU5200捷聯慣導系統，測量ROV的三軸姿態角(或角速率)以及加速度。該IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀，加速度計檢測ROV在載體坐標系統獨立三軸的加速度信號，而陀螺儀檢測載體相對于導航坐標系的角速度信號，測量ROV在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出其空間姿態。IMU安裝在電子艙的壓力筒內，使用RS232串口進行數據通訊，數據更新頻率為100Hz。利用以上三種傳感器性能的互補性，通過信息融合技術，可以很大程度改善ROV的定位精度。ROV在水下作業狀況下，水下激光雷達傳感器固定在ROV機械手臂前側，PC控制器下發指令使水下激光雷達發射器不斷發射水下激光雷達脈沖，激光脈沖由發射光學系統射出時，時鐘計數器得到起始信號開始計數，激光射到被測目標上（如采油樹）發生反射，然后由光學系統接收后對計數器發出終止信號，最終提取時鐘計數器計數值，PC控制器提取相關數據信息，計算得出被測目標（如采油樹）的方位距離，處理HMR3000型三軸磁羅盤與IMU5200捷聯慣導系統不斷上傳ROV的位姿信息，實時判斷MQC與對接目標的距離與方位。

3 ROV定位導航控制系統

本文研究的ROV定位導航控制系統分為外部傳感器系統、上位機系統以及運動控制系統三部分，如圖5所示。水下激光雷達傳感器發射激光脈沖信號，經采油樹反射后，接收光學系統接收水下激光雷達反射信號，并經過信號處理器濾波，把從光電轉換器輸出的微弱電信號放大成具有一定幅度、信噪比和脈沖寬度的電信號上傳至ROV上位機。

上位機控制系統融合各傳感器返回ROV的位姿信息，進行時間對準、空間對準、數據關聯、特征級數據融合，認知環境，提取對接目標信息，基于子系統精確模型的最優路徑控制，建立混合智能算法求解模型，最終實現具有一定魯棒性以及對外部擾動有一定適應性的ROV動態路徑規劃控制方法。采用先導預測的控制策略，實現機器人系統的自適應地圖誤差修正和自學習功能，以及自主導控任務的全局優化, 并對未知動態環境具有較強的適應性。對此，ROV能夠實現自主定位導航與路徑規劃，最終上位機控制系統將控制指令下發至運動控制系統，推進系統由4臺45°矢量布局的加速導管型螺旋槳組成，方便動力定位定艏控制。ROV相對水平方向與垂直方向的偏移由被測目標的方位確定，ROV位姿的變化量由水平方向的4個推進器與垂直方向的一個推進器輸出推力的大小控制，運動控制單元對推進器進行動力分配，實現ROV位姿的調整，同時運動控制單元將下發的推力指令反饋到ROV上位機里，上位機經過預知判斷下步指令。當ROV與采油樹相距合適距離時，ROV一只機械手鎖住采油樹固定設備處，使ROV整體小范圍浮動在對接入口，另一只機械手將固定端的保護帽取下放置到暫置位上，然后抓住移動端的提升手柄將其平穩準確地插入固定端接口處。

在以上過程中，移動端與固定端的成功對接并不都是一次就能完成，執行機構的實時位姿狀態與固定端的對接口相對位置信息通過反饋裝置反饋給運動控制集成單元，與此同時，ROV本體以及抓取機械手需要根據控制單元的運動控制指令不斷微調自己的位姿，而快速準確的運動指令必須依賴激光傳感器對固定端的準確位置信息進行提取識別，最后由上位機進行信息融合處理。

4 實驗驗證分析

為了驗證上面的基于水下激光雷達與ROV位姿傳感器的液壓飛頭對接系統以及相應多傳感器信息融合算法和ROV定位導航控制方法相比于傳統液壓飛頭對接方法的優越性能，在深水池進行相關模擬對接實驗，如圖6所示。大量實驗結果表明，當ROV只配備有聲納，HMR3000型三軸磁羅盤、IMU5200捷聯慣導系統以及攝像系統時，ROV在液壓飛頭成功對接之前需要進行4至6次換位，所需時間平均在400s左右，在以上基礎上，新增水下激光雷達設備后，ROV只需進行1至2次換位，對接時間縮短至220s左右，對接效率提高了45%，這對于水下作業的ROV不僅節約了寶貴的時間，還大大減少了人力物力資源的消耗。

圖6 深水池對接試驗

5 結語

為了實現水下機器人ROV自主導航能力，提高MQC對接速度和精度，與常規ROV單單基于聲納導航定位不同，水下激光雷達由于能量集中不存在散射的問題，而且具備光速遠超聲速且探傳感離較遠的諸多優點，所以結合水下激光雷達傳感原理，提出了中距離基于水下激光雷達與ROV位姿傳感器的液壓飛頭對接系統以及相應的多傳感器信息融合算法和ROV定位導航控制方法，并作出較為詳細的理論闡述。該控制系統的各個子控制系統之間形成有效的信息反饋網絡，使得位置信息能夠快速識別，準確提取以及運動指令信息的準確整合，這樣為MQC的成功對接節約了寶貴時間。

圖5 控制系統組成圖

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1671-0711（2017）08（下）-0149-03