水面無人艇輔助型纜式水下機器人系統(tǒng)設計

周賢良,辛紹杰,董帥帥

(上海電機學院 電氣學院,上海201306)

海洋面積約占地球總面積的2/3,蘊藏著廣泛的資源,但由于海底環(huán)境的復雜多樣,關(guān)于海洋資源的勘探與開發(fā)問題一直是各個國家面臨的一大難點。水下機器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)是能通過人的遠程操控來替代人作業(yè)的一種人工智能系統(tǒng),具有高度的記憶性和自主性,還可根據(jù)具體的情況作出相應的改變,是海洋勘探與作業(yè)的一項必不可少的工具,能夠配備機械手在水下長時間作業(yè),尤其當水下環(huán)境較惡劣,人員無法到達的深度和環(huán)境較危險時,其優(yōu)勢就會明顯突出[1-2]。ROV還可攜帶定位聲吶、圖像掃描聲吶、輻射及水質(zhì)監(jiān)測等傳感器、金屬測厚儀等設備,可對水下進行實時監(jiān)控;ROV還可完成海洋石油鉆井平臺水下結(jié)構(gòu)檢修、近海搜索、水下考察、海洋生物科學研究等工作,避免了工作人員下海就可對海底情況進行了解[3]。目前,ROV 型號已經(jīng)超過百種,全世界有近300家廠商提供各種型號的ROV及其零部件,在日本、西歐國家及美國居于技術(shù)領(lǐng)先地位[4-7]。

本項目研制的線控式小型特種ROV,總體采用框架式結(jié)構(gòu),通過高精度浮力調(diào)節(jié)機構(gòu)加上4組推進螺旋槳為主體,其中兩組大型推進槳實現(xiàn)前進和后退,另外兩組實現(xiàn)對姿態(tài)歐拉角度及深度控制。ROV的本體上搭載有角速度陀螺、羅盤、攝像頭水質(zhì)分析儀等傳感器,可以完成水下各種信息的采集,可搭載有機械手,實現(xiàn)捕獲和打撈功能。水面無人艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)搭載下視聲吶和側(cè)掃聲吶,可以實時監(jiān)控ROV 的位置和水底地形,為ROV提供定位和導航信息。本系統(tǒng)可以使得ROV 的移動范圍脫離母船的?？繀^(qū)域,有較好的機動性。

1 系統(tǒng)總體設計方案

圖1所示為系統(tǒng)總體設計示意圖,圖2為系統(tǒng)設計實物圖。設計的USV與ROV 之間通過有纜的方式進行通信。USV上安裝有控制器,ROV 將本體的深度、速度、壓力等信息傳給USV,USV 通過自身安裝的下視聲吶和側(cè)掃聲吶得到水下環(huán)境,構(gòu)建出水下情況回波圖,識別出ROV的回波信號,獲得ROV 和USV 的相對位置。通過聲吶水下環(huán)境圖或者數(shù)據(jù)庫海圖信息和水下機器人絕對位置數(shù)據(jù)對ROV進行路徑規(guī)劃,并實時監(jiān)控ROV的航行軌跡。ROV具有自主駕駛儀,可以根據(jù)ROV的位置和聲吶回波對其進行跟蹤,并且根據(jù)ROV 和USV 的相對位置信息,保持水下電纜形狀,防止水下電纜自身纏繞和電纜對ROV 行駛產(chǎn)生干擾。USV通過無線數(shù)據(jù)傳輸裝置和母船保持通信,母船可以通過USV的中繼作用監(jiān)測ROV的運行。USV可以搭載更大的電源,可通過電纜持續(xù)提供ROV 的能源,極大地提高了ROV的續(xù)航能力。

圖1 系統(tǒng)總體設計

圖2 系統(tǒng)設計實物圖

2 ROV推進器設計與推力分布

潛水器水平方向動力使用螺旋槳輸出推力,螺旋槳既可以實現(xiàn)推進作用,又可以起到轉(zhuǎn)向的作用。本文所設計的ROV主要實現(xiàn)4自由度運動,目的是使其結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。

推進器的布置一般應該遵循以下幾個基本原則[4]：

(1)應盡可能地使三軸的合力交匯于一點,這一點應盡可能地接近載體的重心,這樣可以防止產(chǎn)生有害的附加運動,給系統(tǒng)的控制帶來麻煩。這一原則不是在任何ROV上都可行的,特別是小型水下機器人的空間有限,要做到這一點困難比較大。

(2)推進器的質(zhì)量在ROV中占有較大的比重,在小型ROV中比重可能達到總質(zhì)量的70%,因此盡可能減少推進器的數(shù)量也是很重要的問題。

(3)一般推進器布置應當使其軸線平行于動坐標系,這樣可以取得最大的效率。但為了保證本文中的ROV的進退及其換向更加靈活,在此采用四推進器均與y 軸方向成α角布置,這種布置方案使用的推進器較多,其水平面的機動性好。

由于ROV的運動主要與水平推進器有關(guān),垂直推進器只負責潛浮,故在此不作考慮。ROV 水平方向四推進器布置圖如圖3所示。

圖3 ROV水平方向四推進器布置

四推進器與y 軸成α角布置,本文所用實際設備α呈45°角,表1給出了推進器聯(lián)合狀態(tài)與ROV的實際運行關(guān)系,可表示為[8]

式中：T、M 分別為水平方向總推力及力矩;Ti、Mi分別為第i個推進器的推力和力矩;a為推進器相對于本體中心的力臂。

表1 推進器聯(lián)合動作與ROV運動狀態(tài)關(guān)系

給出螺旋槳的推力[8]

式中：ρ為水密度,kg/m3;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,r/s;D為螺旋槳直徑,m;KT為推力系數(shù)。

為了產(chǎn)生這一推力,螺旋槳需輸入的力矩為[4]

式中：KM為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KM表示螺旋槳力和力矩的特性。螺旋槳的運動特性還必須用進速系數(shù)J[9]來表示,所謂進速系數(shù),就是螺旋槳每轉(zhuǎn)一周相對于水前進的距離h與螺旋槳直徑D之比,而nh=vp,有

式中：vp為螺旋槳相對于水的速度。

螺距比H/D[10]也可影響螺旋槳性能,在進速系數(shù)相同時,螺距比越大,推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)也越大。設計時,先預選了直徑D為0.11 m,螺距比H/D為0.6的對稱型螺旋槳。根據(jù)式(4),可以求得

根據(jù)進速系數(shù)和螺距比,查KT—J圖譜[10],得到KT=0.25,求出單個螺旋槳的最大推力為

那么兩個螺旋槳所能產(chǎn)生的最大推力Tmax=23×2=46 N,求出了最大推力Tmax,下一步可求出ROV在水中的阻力。

潛水器在水中的阻力主要包括：摩擦阻力Rf、黏壓阻力Rp、電纜阻力Rd和附加阻力Re,即總阻力Rt=Rf+Rp+Rd+Re。摩擦阻力Rf是雷諾數(shù)的函數(shù),與濕表面積有關(guān);黏壓阻力Rp與ROV 外形有關(guān);Rd和Re與ROV的位置、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。

實驗表明,潛水器表面邊界層內(nèi)的流動狀態(tài)完全取決于局部雷諾數(shù)Re[11],通常層流狀態(tài)的雷諾數(shù)為：Re＜(3.5～5.0)×105;過渡流狀態(tài)的雷諾數(shù)為：(3.5～5.0)×105＜Re＜3.0×106;紊流狀態(tài)的雷諾數(shù)為：Re＞3.0×106。由雷諾數(shù)可求出在不同流動狀態(tài)時的平均摩擦阻力系數(shù)Cf[11]。

在層流狀態(tài)時

要計算潛水器的摩擦阻力[11-12],先要確定邊界層流體運動狀態(tài),由

可知Re＜(3.5～5.0)×105,故邊界層流體處于層流狀態(tài)。則摩擦阻力系數(shù)為

其所受摩擦阻力為

式中：v 為水下機器人的航行速度;S為水下機器人的表面濕面積。

由黏性消耗水質(zhì)點動能而形成首尾壓力差,其產(chǎn)生的阻力稱為黏壓阻力,該力很難單獨確定,一般通過實驗方法來測得一定形狀的物體的黏壓阻力系數(shù)Cp或查阻力系數(shù)曲線,也可采用近似公式來計算黏壓阻力Rp。查找相關(guān)資料[13-15],根據(jù)對應形狀和雷諾數(shù)查阻力系數(shù)曲線得到黏壓阻力系數(shù)Cp=0.8,則

電纜阻力與機器人所處的位置等許多因素有關(guān),一般可以根據(jù)經(jīng)驗值對電纜阻力系數(shù)Cd進行估算。附加阻力包括螺旋槳、支架等阻力,精確計算附加阻力也是有困難的,一般都是根據(jù)機器人的外形結(jié)構(gòu),根據(jù)經(jīng)驗對附體系數(shù)kop進行估算。

對于大多數(shù)ROV,電纜阻力系數(shù)在0.1～0.2之間,取電纜阻力系數(shù)Cd=0.15,有

式中：A為電纜特征面積。

潛水器設計中,附加阻力常用附體系數(shù)kop的形式來表示。它是潛水器包含全部附體后較不含附體的潛水器所增加的有效功率(或阻力),與不含附體的ROV所需的有效功率(或阻力)之比,因此附體系數(shù)又稱為附體阻力百分數(shù)。一般雙螺旋槳ROV的附體系數(shù)kop=7%～10%。計入附體系數(shù)后,實際的阻力為[11-12]

由式(10)～式(12)可以得到

取附體系數(shù)為10%,最后得到總阻力為

由螺旋槳的最大推力Tmax=46 N,總阻力Rt=40.2 N,即Tmax＞Rt,故能滿足以最大要求速度克服阻力航行的能力。

為了產(chǎn)生ROV運動的推力,螺旋槳需要輸入相應的扭矩M,查KM—J圖譜[10],得KM=0.022,故

則所需輸入功率為

最后,選定了型號為63ZY24-40的瑞航電動機,功率為50 W,額定電壓為24 V,額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min的永磁直流電動機。圖4為推進器結(jié)構(gòu)布置圖。

圖4 推進器結(jié)構(gòu)布置

3 ROV控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)是ROV的核心部分,由相應的軟件和硬件組成。本項目的ROV 控制系統(tǒng)采用分布式控制,主要由水面PC機、水下樹莓派和STM32處理器組成。整個ROV的控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中采用STM32F427微處理器作為下位機,PC機作為上位機,無人艇作為中間層,起到上位機和下位機之間的通信作用,作為中轉(zhuǎn)設備提高了長距離通信的可靠性,傳輸介質(zhì)為零浮力屏蔽電纜線。圖6為上位機層、中間層及下位機層的通信示意圖。

圖6 系統(tǒng)通信

3.1 硬件系統(tǒng)設計

圖7 USV硬件連接

3.1.1 USV硬件系統(tǒng)設計圖7所示為USV硬件連接示意圖,為了更好地與系統(tǒng)進行配合,該項目棄用原有的單片機,改用APM 控制器作為USV的控制器,以MISSION PLANNER作為USV的地面站,在地面站中通過對陀螺儀、GPS、ESC、遙控器等進行校準,并設置USV的多種運動模式。由于開源的車輛固件為非差動程序,為了更加靈活地控制USV的轉(zhuǎn)彎,通過在開源平臺(GITHUB)上下載固件代碼后加以修改,并在Arduion上面進行修改編譯成差動固件,再上傳到APM 控制器。在USV上裝載下視聲吶和側(cè)掃聲吶,聲吶盒內(nèi)置Wifi與上位機連接,會將聲吶回傳至上位機。圖8、圖9所示為聲吶回傳畫面,圖8為水深0.8 m 時下視聲吶和側(cè)掃聲吶回傳畫面,圖9為水深1 m時的下視聲吶和側(cè)掃聲吶回傳畫面,可看出在側(cè)掃聲吶回傳畫面左側(cè)中顯示了ROV的成像,由此可了解到ROV相對于USV的大致位置。

圖8 0.8 m水深下視聲吶及側(cè)掃聲吶

圖9 1.0 m水深下視聲吶及側(cè)掃聲吶

3.1.2 ROV硬件系統(tǒng)設計圖10為ROV 硬件系統(tǒng)連接示意圖。PC機與ROV 控制器之間通過零浮力電纜間接連接,中間采用USV 作為中轉(zhuǎn)設備,樹莓派與傳感器之間可采用多種通信方式,并可將傳感器采集的數(shù)據(jù)反饋給上位機,實現(xiàn)上位機和下位機之間的實時通信功能?？刂破髋c樹莓派之間通過數(shù)據(jù)線連接,并與水下燈、電調(diào)、電源模塊、檢漏器等設備相連。通過接受來自樹莓派的指令,來控制推進器以及水下燈等設備的正常工作,樹莓派以及控制器均安置于ROV 的電子艙中,通過電纜接口與上位機連接。圖11為硬件實物圖。

圖10 硬件系統(tǒng)連接

圖11 ROV硬件實物

3.2 軟件系統(tǒng)設計

對于作業(yè)型ROV 控制系統(tǒng)軟件主要有以下幾個方面要求[16]：

(1)實時性好。ROV與上位機之間一般通信距離都達到成百上千米,對于長距離通信本身就會有延遲,為了保證數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)監(jiān)測等任務的可靠性,必須在軟件運行方面將延時降到最低,故對實時性要求比較高。

(2)精度高。良好的精度是保證ROV工作質(zhì)量高的前提,例如ROV 的定位、定航等功能需對外界干擾有一定的抵抗能力,保證其自身航行及姿態(tài)角的收斂,因此控制精度要高。

(3)通信穩(wěn)定。整個系統(tǒng)的通信方式大致分為水下與水面的通信和水下各部件之間的通信兩種。上位機與水下下位機之間采用長距離的光纖通信,水下各部分采用CAN 總線的通信形式,包括導航系統(tǒng)、推進器、水下照明和各傳感器的信息。該形式的通信方式較為高效,彼此干擾較小。

圖12 控制系統(tǒng)軟件總設計流程

圖12為主要部分的控制系統(tǒng)軟件設計總流程框圖。上位機通過零浮力電纜與下位機相連,判斷通信是否成功,如果失敗,則不斷地發(fā)送通信命令,直到通信成功;開始檢測水下各設備是否出現(xiàn)故障,如果存在故障,則ROV 立即自動斷電停止工作,同時,向地面站發(fā)出警報,工控箱警報燈亮起。當設備正常工作時,再判斷具體的上位機指令,根據(jù)是否為手動控制來實施具體的指令,如實行預定算法時需中斷執(zhí)行其他命令,只需手動發(fā)指令即可中斷預定算法命令。

4 結(jié)語

本文提出一種USV輔助型纜式ROV 的設計思路,通過水面對水下環(huán)境進行地圖構(gòu)建,具有更寬闊的視野信息,比ROV自身規(guī)劃導航定位更方便簡單;通過對整個系統(tǒng)在軟件和硬件層面上的設計進行闡述,清晰地講述了系統(tǒng)的架構(gòu)。為了更直觀地掌握ROV的位置,下一步將主要在現(xiàn)有的基礎上研究USV對ROV的位置實時跟蹤,通過USV的位置和深度傳感器的信息,可很明顯地得到ROV的水下詳細位置。