基于PID的水下機器人運動控制系統的設計

（青島恒星科技學院,山東青島市，266100）潘娜娜 陳 娜 王 芳

隨著社會的日益進步和發展，人類對湖泊海洋的探測逐漸深入。但是由于人類自身的限制，人工探查的方式已經不足以滿足人們的需求，于此同時水下機器人技術（Remotely Operated Vehicle，ROV）應運而生。然而水下環境復雜多變，機器人在水下的運動不僅受到水動阻力，同時能見度相對于地面和空中而言受到水域限制而大幅下降，而且水下環境的復雜程度又高于陸地和空域。所以給水下機器人的控制造成了難題，傳統的PID已經很難適應水下機器人的控制，需要對傳統的PID進行改進，達到水下機器人的理想控制效果。

有纜遙控水下機器人(ROV)，由水面操控人員依據地面站通過水下監測的情況對航行器通過臍帶纜進行操縱。其優點在于安全系數高、作業范圍廣、體積小、經濟高效，缺點在于操控準確率低、通訊受到臍帶纜限制、靈活性差。目前應用范圍廣泛，特別是在軍事和民用領域。在民用方面，ROV主要用于對海底資源的開發和探測，比如石油、礦物質、天然氣等。在軍事應用領域，應用范圍更廣，官兵可以利用ROV進行水下探測、救援打撈、水下布雷，探雷和掃雷。所以本文著重研究ROV技術。

1 總體功能與性能指標

ROV是5自由度控制的，在結構上后期研究可以增設兩個電機，使系統可以六個自由度控制，使ROV的控制效率更高，控制效果更好。并加裝機械臂可以讓ROV在水下作業。在材料上，用硬度更高的錳鋼代替PMMA材料，使ROV可以下潛到更深水域，密封艙的穿線結構上采用水下耐壓連接頭，接頭使用硫化灌封，使其防水性能達到1000米以上。在通訊上采用電力載波代替TCP/IP雙絞線，提升通訊距離。在硬件設計上，使用ARM7以上內核高主頻MCU，搭載linux系統，極大提高系統的工作效率。最后在PID算法上進行優化，使用神經PID，結合GA-BP PIDNN使ROV自主性更高。

根據目前國內外各廠商ROV產品的技術指標進行整理與分析，結合不同的作業方式和作業任務，對所研究設計的ROV進行整定，確定ROV的總體功能與性能指標。

主要技術指標：①整體尺寸：長：460mm寬：284.3mm高：255mm；②工作水深：正常工作水深100m，最大工作水深150m；③最大航速：最大航速為3節及1.5m/s；④重量：10.5kg；⑤最大載荷：20kg；⑥探測范圍：探測角度為72°，探測距離為3m以內；⑦照明參數：5W LED，水下最大照明距離為3m。

2 各功能模塊設計方案

2.1 ROV載體設計方案

載體方案的選擇關系到ROV的整體性能參數，不但需要承托電機，密封艙，浮體，照明等結構，同時承擔大部分水流擾動，所以對ROV設計起到決定性的作用，在載體方案的選擇上不但要考慮ROV整體性能同時兼顧設計的美感。

綜合考慮，選擇載體為框架式結構，便于各模塊的固定，同時可以進行后期的拓展和改造。同時鏤空的框體可以降低水的阻力，降低功耗，便于控制。材料選擇PMMA有機玻璃，耐腐蝕，透光率可以比擬玻璃，但是不易碎，同時硬度較高，并且耐候性極佳。使用PMMA可以降低整體框架的重量，同時方便加工，是低成本ROV的結構設計的不二之選。

2.2 耐壓密封艙的設計方案

耐壓艙是ROV固定電源模塊，MCU控制器，圖像采集模塊，姿態傳感器等電子元器件的固定安裝處，關系到ROV的控制核心，因此需要保證艙內與外界水環境隔離，不會產生泄露從而損壞電子元器件，同時耐壓艙因為是空心結構體，為ROV提供主要浮力。對于耐壓密封艙的選擇需要綜合考慮材料、形狀、密封等多種因素。

現在ROV的耐壓密封艙的主要形式分為：球狀殼體，圓柱形殼體。球型殼體表面所受的壓力僅為相同直徑與壁厚圓筒形殼體的二分之一，同時殼體的表面積最小，一般工作深度超過800m的ROV耐壓殼體大多數采用球形[3]，但是其加工復雜成本較高，而本文所設計的水下機器人的工作深度遠小于800m，所以采用單側半球形封頭的圓柱形殼體，提高ROV的水下穩定性。并且用鋁合金密封法蘭進行頂部和底部的密封，增強其密封性，采用半圓型支架進行固定。同時保證ROV的水平方向重心均勻，圓柱長度為300mm，長度占ROV總長的65%。

2.3 1.5ROV控制系統設計方案

根據總體的性能要求，本文研究的ROV分為水下機器人端和地面控制箱端，以水平面為界分為兩個部分，上部為地面控制箱端，下端為水下機器人端。

3 密封艙結構設計

3.1 密封艙管設計

考慮到ROV的水下的工作深度及為正常工作過程中所處的深度，ROV長時間工作在此深度不會發生永久形變且下潛次數不受限制。而極限工作深度是ROV在此深度不能長時間作業，且作業次數受限。在設計時需要有一定余量及強度儲備。綜上考慮采用長300mm，管徑90mm，向內薄壁5mm的圓管材質為PMMA（有機玻璃）。屈服強度為4.5e+007N/m^2，張力強度為7.3e+007N/m^2，泊松比為0.35。

3.2 ROV密封艙整體配合與密封處理

密封艙的密封屬于靜密封，密封艙的兩端密封采用“接觸密封法”，采用鋁合金法蘭并開環形槽塞入橡膠圈，通過橡膠圈的復原性，產生自動壓緊效應[5]使其可以與亞克力外管緊密接觸，O型圈的壓縮率取原截面20%，使其使用壽命更加持久，同時在密封法蘭和球形殼體的安裝，考慮到PMMA的脆性，用兩塊鋁合金夾板進行固定。在密封艙尾部使用8mm厚PMMA板貫穿6個5mm孔用于密封艙走線，而在走線的過程中如果密封不良極易使密封艙漏水，所以在結構上采用空心CNC加工，316不銹鋼材質穿線螺絲，把線纜剝下保護套，尾端套入熱縮管，用藍丁膠固定，最后用環氧樹脂進行灌封，防水性能可達300m。定穿線螺絲與PMMA蓋板固定使用環形橡膠圈，兩端進行壓緊，PMMA蓋板與密封法蘭的固采用鋁合金夾板從兩端固定。

4 結語

通過PID的水下機器人運動控制系統的設計分析，確定了以ROV設計為主的設計理念，提高了水下機器人操作精度的準確性，為海洋作業、水下救援等作出巨大貢獻。水下機器人因工作環境的不同，其研發技術要求更高，現階段我國海岸線長，水下工作機會較多，但水下工作的危險性較高，特別是在深海領域。隨著水下機器人技術的不斷發展，功能的不斷完善，其替代人類下水作業可行性越來越高，市場需求將不斷增大，未來發展前景廣闊。