基于海管維修的UVMS運動規劃方法

郭宇禮，魏延輝，謝吉順，王佐強，章仲怡

（1.渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津300452；2.哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，哈爾濱150001）

海底管道是儲運油氣的重要組成部分，海底管道的正常安全運行是海洋油氣生產的重要保障[1]。海底管道常年受到海浪、砂流、海洋生物附著侵蝕以及其他的自然因素影響[2]，需要對管道進行及時的清洗和維修，否則會降低海底管道的使用年限甚至造成海洋油氣的停運或者停產[3]。

海底管道維修主要分為水上和水下兩種維修方式[4]。水上的維修方式直接將水下切割后的管道運到岸上進行維修，該種修理方法對工程船舶和海況的要求較高，適合淺海地區的管道修復[5]。水下管道清洗和維修可以通過潛水人員攜帶專業設備進行作業，但該種方法因水下壓強無法對深海油氣管道進行維護作業，只能在深度300 m 以內海域進行作業[6]；深海管道的維修往往借助水下運載器或機器人攜帶特種作業設備在水下進行海管的清理與維修[7-9]。

海底管道主要維修采用安裝管道夾具的方式，將管道的泄露部位外安裝緊固件-夾具，達到維修管道泄露的目的[10-12]。

水下機器人由于運動靈活、作業深度大和續航能力被廣泛應用于海洋資源的勘探與海管檢測等輕作業任務，為增強其作業能力，部分水下機器人被裝備了機械臂去執行定點采樣和海管維修等海洋作業任務[13-15]。水下機器人與機械臂組成的復合系統也稱為UVMS[16]，現有的UVMS 在對海管進行清洗和維修時，多通過經過專業培訓的操作人員操作機械臂完成海管的維修工作，為了提高海管維修作業的自動化程度，降低作業成本。

從1990年，歐洲的7 個研究機構以五自由度的ROV 搭載水下機械臂共同開展UNION 的項目，此項目在研發的20年間陸續發表了很多科研成果，為水下機器人運動控制提供了大量理論基礎[17-19]。21 世紀，“ALIVE”的UVMS 研究課題在歐盟展開[20]。該研究組選用了四自由度的水下機器人，同時搭載了七自由度的水下機械臂來完成工作。歐盟最近在EC Horizon2020 項目資助下，開展了DexROV 項目，致力于解決海底新的作業能力的開發，重點在于解決ROV 遠距離作業的通信延遲問題，提高特定背景下機械手的水下靈巧與高效作業能力，和解決半自主的ROV 導航和機械手作業能力[21]。該項目的合作伙伴包括瑞士的IDIAP 研究實驗室和德國不來梅大學等，且已經取得一定成果。歐盟計劃開展名為ROBUST 的UVMS 項目，旨在通過基于激光的元素分析技術和UVMS 技術，對海床物質進行取樣和原位探測[22]，該項目由EC Horizon2020 項目資金支持。

本文設計了一種用于海管維修的UVMS 作業系統，可在UVMS 雙目視覺系統輔助下，在機械臂末端搭載特種作業設備自主完成海管的清理和維修作業任務，考慮到UVMS 運動過程中存在約束問題，提出了一種基于模糊邏輯的多任務運動規劃方法，可以確保UVMS 在安全的運動范圍內執行海管維修的相關作業任務。

1 UVMS 系統構成及海管維修方法

1.1 UVMS 系統構成

該UVMS 具有海管檢測、表面清洗和海管維修3 種功能，主要由水上和水下兩部分組成，兩者通過零浮力電纜進行連接，UVMS 系統的控制結構如圖1 所示。

圖1 UVMS 的控制系統結構Fig.1 Control system structure of UVMS

水上部分由控制臺、水面絞車、光端機和高壓電電源輸出系統組成，控制臺主要負責水下機器人的運動操縱、設備控制、視頻監視等功能，水面絞車完成水下機器人在甲板上的起放任務，光端機負責與水下機器人的實時通信，高壓電電源輸出系統通過水下的電源轉換系統為UVMS 系統供電。

水下部分主要包括機器人的結構框架，雙目視覺系統，視覺照明系統，推進器系統，水下控制器，機械臂及其相應的特種作業設備，慣導系統，光端機和浮力材料等。機器人結構框架用于安裝UVMS系統各個關鍵部件。雙目視覺系統主要檢測海管表面的腐蝕和損傷情況，同時為UVMS 末端提供位置反饋。視覺照明系統為UVMS 作業提供水下光源。推進器系統負責UVMS 在水平和垂直方向上的運動。水下控制器用于控制UVMS 執行海管的檢測和維修動作。慣導系統提供UVMS 運動過程中的位置和姿態。機械臂配合末端的不同的特種作業設備，可以完成不同海管維修任務，若在其末端安裝高壓水射流裝置可以完成海管防腐層的清理作業，若在其末端安裝水下焊接工具可以完成海管破損處的焊接維修作業。浮力材料主要用于配平UVMS 系統的浮心和重心，增強系統運動的穩定性。

1.2 海管維修方法

UVMS 實現海管檢測與維修主要分為以下3 個步驟：

步驟1通過攜帶的雙目視覺系統實現海管檢測。首先對采集的水下圖像進行預處理，對海管的圖像進行去噪、增強和裂縫檢測，然后通過立體匹配方法進行目標識別，最后通過三維重建技術獲得海管裂縫的三維空間坐標。

步驟2在UVMS 的機械臂末端搭載高壓水射流設備，UVMS 根據雙目視覺系統測量的海管裂縫的位置，通過本文所提出的運動規劃算法對水下機器人的位姿和機械臂的關節軌跡進行規劃，通過水下機器人的推進器和機械臂的關節電機驅動其到達指定位置，使得末端的高壓水射流設備抵近海管裂縫處，通過高壓水射流對裂縫處的涂層進行打磨和清洗。

步驟3在完成海管裂縫表面涂層的清理之后，在機械臂末端換上專用的水下焊接設備，根據雙目視覺系統反饋的裂縫的位置信息，對水下機器人的位姿和機械臂的關節角度進行規劃和控制，確保海管裂縫焊接修復工作的完成。

2 UVMS 運動規劃方法

通過雙目視覺定位方法得到海管需要清洗或者維修目標的三維空間的位置信息，在機械臂末端安裝相應的特種作業設備，在任務規劃層對水下機器人的位姿和機械臂的關節角度進行規劃，通過各自的執行機構驅動UVMS 的末端到達指定的位置，進行海管的清洗或者維修工作。UVMS 在進行軌跡規劃不僅需要保證末端到達作業位置，同時還要避免關節極限等不安全情況的發生，因此本文基于模糊邏輯的多任務優先級方法對UVMS 的運動進行規劃。

2.1 模糊任務多優先級規劃方法

2.1.1 UVMS 任務空間運動學模型

UVMS 的任務空間的運動學模型為

表示慣性坐標系下的末端的線速度與載體坐標系的各個關節速度表示映射關系的雅可比矩陣Je為

雅克比矩陣由水下機器人的位置和姿態和機械臂的關節位置三部分對應組成，并且有：

2.1.2 模糊多任務優先級運動規劃

（1）多任務優先級運動規劃方法

定義UVMS 系統的主要和次要任務分別是ηp∈Rm和ηs∈Rr，m 和r 為兩個任務的維數，對應的兩個雅克比矩陣分別為Jp（q）∈Rm×N和Js（q）∈Rr×N，N 為系統的自由度，且滿足如下關系

則采用任務優先級方法的實現主次要任務的規劃算法可有如下形式：

上式可以寫成如下的閉環形式：

式中：eE是主要任務的期望值和規劃值之間的誤差；es是次要任務的期望值與規劃值的誤差；KE和Ks為常數增益矩陣。上式可進一步寫為

（2）關節位置約束

UVMS 在水下執行作業任務時，要求水下機器人運動的俯仰角較小，并且水下機械臂的運動要避免到達關節極限，故本文引入加權矩陣來處理水下機器人和水下機械臂運動過程中的姿態和關節極限，選定對角陣W 且作如下定義：

式中：ci＞0 為常數，表示第i 個關節位置約束強度；qi、qi，max和qi，min為UVMS 的第i 個關節位 置及其 最大與最小極限。w（q）的偏導為

W 對角線上的元素為

由上式可知，當UVMS 第i 個關節運動到安全范圍的中間位置時，Wi，j=1；當UVMS 第i 個關節運動接近其規定的關節極限時，Wi，j=∞；UVMS 的關節運動會受其約束。上式Wi，j當中間位置無限接近于關節極限或者是關節極限返回到中間位置時取值相等，故對Wi，j定義作如下改進：

（3）UVMS 模糊逆運動學規劃算法設計

UVMS 為水下機器人和機械臂組成的復合系統，故機械臂在執行空間作業任務時，運動學是冗余的。同時，在UVMS 在執行作業任務時存在機械臂的關節極限、奇異位形和水下機器人本體的位姿保持等運動約束。為解決UVMS 運動中存在的約束問題，本文使用如式（14）所示的基于模糊邏輯的多任務優先級的運動規劃方法，UVMS 的本體為六自由度的水下機器人，考慮扶正力矩忽略橫搖，機械臂由腰部和腕部回轉關節與大臂、小臂擺動關節組成，因為只考慮末端的位置，所以可以將UVMS 簡化為七自由度，運動規劃的具體步驟如下。

首先，UVMS 執行海管維修作業時，末端攜帶特種作業設備到達雙目視覺系統測量的三維空間位置是主要任務：

關節極限的距離被作為第一次要任務，水下機器人的俯仰角度作為第二次要任務，即：

定義水下機器人的俯仰角度的運動范圍為［-20°，20°］，水下機械臂的關節2 和關節3 的關節極限分別為［-142°，142°］和［-230°，230°］。次要任務通過模糊變量進行激活，水下機械臂當前關節位置到關節極限的距離和水下機器人的姿態數據為模糊推理系統的輸入，依此定義兩個語言變量：

其中close 和not close 表示水下機械臂關節當前位置距離關節極限位置的近遠，small 和not small表示水下機器人的姿態角的小大，輸入參數的隸屬函數如圖2 所示。

圖2 輸入參數的隸屬函數Fig.2 Membership function of input parameters

輸出是UVMS 對應于兩個次要任務的權重比例系數αi（i=1，2），語言變量是：

其中high 和low 表示次要任務權重比例系數較大和較小。輸出參數對應的隸屬度函數曲線如圖3 所示。

模糊規則如表1 所示，其中JL 為關節極限，VA為水下機器人的姿態。

對模糊推理的結果采用重心法進行反模糊化處理。

圖3 輸出參數的隸屬函數Fig.3 Membership function of output parameters

表1 模糊控制狀態表Tab.1 Fuzzy control state

3 仿真實驗

搭建UVMS 仿真系統，如圖4 所示，通過UVMS的視覺系統處理得到的海管上需要處理的三維的位置坐標為xe，d= ［2 -0.2 2 ］T，任務優先級的增益矩陣為KE=diag［20 20 20］，Ks1=50，Ks2=［0 10］。

圖4 UVMS 仿真的三維效果圖Fig.4 3D simulation of UVMS

由圖5 可知，末端在第16 s 時到達目標位置，完成任務優先級的主要任務，由于水下機械臂的對于載體的耦合影響，在運動過程中，本體會在x、y 和z 方向上的產生的最大位置偏差0.16 m、0.06 m 和-0.03 m。圖6 和圖7 為機械臂的關節角度和水下機械臂的姿態，由圖可知，機械臂關節以較小的關節角度使得末端達到目標位置，水下機器人的縱傾角和橫搖角都在限定的范圍內。在4.5 s 時，水下機器人的縱傾角大于10°，觸發模糊系統的保護機制，使得水下機器人在安全的姿態范圍內運動。圖8 中可以看出α2迅速被激活，AUV 俯仰角從6 s 開始下降，使其無法超過所設置的范圍，說明了加入模糊算法后系統的性能可以得到改善。

圖5 機械臂末端位置誤差Fig.5 End position error of manipulator

圖6 機械臂的關節角度Fig.6 Joint angle of manipulator

圖7 水下機器人本體的姿態Fig.7 Posture of underwater vehicle

圖8 模糊系統的輸出Fig.8 Output of fuzzy system

4 結語

本文針對海底管道的自動化檢測和維修的UVMS 系統及其規劃方法進行研究，著重開展UVMS系統方案設計，分析了海底管道的檢測與維修的步驟；在此基礎上，針對海管檢測與維修提出了基于模糊多任務的UVMS 運動規劃方法，通過仿真實驗的結果說明，本文所提出的模糊多任務規劃方法，可以在水下機器人視覺系統的定位輔助下，完成指定的海管的清洗和維修工作。