水下管道清淤疏浚機器人驅動控制研究

郭昆鵬，趙銀江，湯家源，尹新彥

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610213；2.北京理工大學珠海學院，廣東 珠海519088）

近年來，環境惡化及持續強降雨是導致城市發生內澇的主要原因，因此迫切需要增加城市排水管道容量。另外，城市居民生活水平提高，城市工業園區發展迅速，生活及工業廢液排放量增大，多年來管道內的淤泥聚集，以及泥沙沉降使得主要排水干道的排水能力明顯下降，是導致城市排水管道堵塞的主要原因。但是從根本上講是因為城市排水管道排污能力有限。為了解決城市的快速發展與滯后的基礎建設的矛盾，我國已經開始啟動排水管道整改項目的試點工作。為了解決這一問題，根本舉措是改造城市排水管道，但是我國城市人均占有排水管道長度0.55m，遠低于發達國家人均4m的水平，采取這種措施需要大量資金及建設周期冗長，難于即刻緩解大量城市雨季看海的窘態。因此，排水管道的清理工作對緩解目前狀態非常重要。

目前，我國管道及暗涵清理工作依舊依靠人工清理為主要的清理方式，即人工下井穿纜或疏通。而城市排水管道和暗涵大多數位于人口以及建筑物密集區域，傳統人工清理作業占地面積大，容易造成污泥灑落地面，污染環境，臭味飄逸，給周邊居民生活帶來不便，同時影響市容風貌；再者傳統人工清淤效率低下，而且城市排水管道和涵道的內部環境相當惡劣，氣味難聞，可能存在大量甲烷等有毒氣體，嚴重影響一線作業人員的生命安全。水下管道清淤機器人的研究具有重要意義，所以水下管道清淤機器人的研究工作已經開始受到研究機構及部分高校的重視。

1 總體設計方案

本系統設計一套水下管道清淤疏浚機器人系統，適應于寬度為1~3m不等的城市排水涵道，實現“人不下井，路不開挖，水不斷流，泥不落地”的城市污水涵道清淤疏浚工作。管道清淤疏浚機器人采用中央承力結構，其機器人本體采用高強度合金鋼材框架，搭載可拆卸的作業底盤，上方布置水下電力系統，水下儀器倉，水下液壓動力單元（見表1、圖1）。

表1 設計主要參數

考慮到涵道中的工作環境情況復雜多變，機器人的運動驅動裝置為履帶系統，采用高耐磨、耐腐蝕的橡膠履帶，并具有防滑深凹凸花紋，增加其抓地能力，增加摩擦力避免打滑現象。該機器人采用減速箱液壓馬達驅動履帶系統。控制硬件包括驅動電路設計、控制層電路設計，采用模糊PID控制策略實現了液壓馬達的驅動控制（見表2）。

圖1 水下管道清淤機器人樣機示意圖

表2 機器人搭載設備

2 驅動結構

驅動系統的動力源是四驅動液壓馬達，通過推進器控制器獨立驅動左、右側主動輪的方式，這種結構行動靈活，具有越障能力強的優點。而且左、右履帶驅動結構參數、性能基本相同，因此在清淤機器人直行、后退、轉彎和制動時方便對機器人左右驅動分別進行控制。在液壓驅動系統設計中，采用了溢流閥來調整和控制工作系統管道的壓力，在左右驅動支路采用減壓閥配合單向閥來保證閥后的壓力。既要滿足液壓馬達轉動速度的控制，又要滿足左右驅動解耦控制的特性要求，以保證足夠的驅動力矩和轉速控制精準度。

3 驅動控制系統

機器人的驅動控制系統分為水上控制臺和水下驅動控制兩部分組成。由于城市排水管道內壁的鋼筋混凝土材料對無線通信信號具有吸收和屏蔽效果，為了提高機器人信號傳輸的穩定性，采用臍帶纜的有纜式通信，來實現地面控制中心與清淤機器人本體之間的數據傳輸。信息傳輸采用1路光纖通信和1路電力載波通信通道提高系統的可靠性雙環自愈式光纖。

3.1 地面（水上）控制臺

采用工程計算機設計了地面控制臺，控制臺包括對清淤機器人各個環節動作執行的控制按鈕和霍爾搖桿、觀察窗口等。控制器通過采集到的不同信號，按照通信協議對數據進行打包，并通過零浮力電纜發送至井下清淤機器人本體。控制臺模塊設計為兩套控制系統：一是手動控制系統，該系統可通過地面控制臺的控制按鈕，以及霍爾搖桿等人機接口來控制清淤機器人前進、后退、加速、減速及緊急停車，并實時顯示機器人的工況等，在機器人剛進入工作面及遇到突發情況時可以采用該模式。二是智能控制系統，該系統由清淤機器人根據傳感器檢測，自動執行任務，在常規任務中可以開啟該模式，降低作業難度和工作量，增強清淤機器人的工業推廣應用性（見圖2）。

圖2 管道清淤疏浚機器人驅動控制系統

3.2 水下驅動控制

清淤機器人水下推進器驅動部分由液壓馬達驅動、傳感器檢測電路和推進器控制等模塊組成，并可以通過軟件的方式對機器人驅動控制系統進行自診斷智能控制。地面操作人員根據涵道內機器人攝像機傳輸回來的畫面，確定作業指令和行走指令，通過線纜遠程控制，控制清淤機器人在排水管道內作業。涵道內環境復雜惡劣，淤泥聚集程度不一，而且含有各種垃圾雜物，采用履帶式行走具有爬坡、越障能力強，結構簡單，平穩性好。

清淤機器人的驅動系統是清淤作業能順利完成的關鍵，需要機器人根據管道內的復雜環境，適應管道內的各種行走環境，采用模糊控制確定PID參數的控制算法實現機器人運動控制。PID控制將輸入偏差的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，并將信號離散化進行運算處理，實現對被控對象的最優化控制（見圖3）。

圖3 PID控制原理圖

本設計采用增量式離散PID控制算法，計算過程中只需當前值和前兩次的值，可以避免數值累加增大計算量，增量變化較小，可以達到比較好的控制效果，其控制方程如下式：

在式（1）、式（2）中：

其中，kp為比例系數，ki為積分系數，kd為微分系數，T為采樣周期，E（kT）、E（kT-T）、E（kT-2T）為第k、k-1、k-2采樣時刻輸入的偏差值。

當液壓馬達控制系統接到動作指令后，開始執行液壓馬達調速運行控制。

4 仿真結果與分析

清淤機器人由四個液壓馬達驅動其兩側的運動系統，通過改變四個馬達的轉速來實現清淤機器人的運動控制，因此控制機器人直線向前運動時，由于兩側液壓馬達驅動結構的特性，譬如減速機構的差異與運動過程中的干擾因素，導致兩側馬達的轉動狀態并不能保持一致。管道環境復雜多變，譬如輪子打滑、障礙物阻礙、地面泥濘不一致導致兩側履帶與涵道摩擦力不等，都會導致機器人不能實現直線向前行走的控制目標。雖然各馬達的閉環控制系統能夠加快控制響應，提高控制精度，但并不能很好地保證兩側馬達的協調性及速度一致性。在仿真實驗中，為了提高履帶機器人直線運動性能，在兩側液壓馬達各自閉環控制的基礎上，設計了速度同步補償器實現兩個馬達的同步控制。

圖4 控制器仿真模型圖

PID控制器中設置參數的初始值為：Kp=19.5，KI=9.5，KD=2.5。采用模糊PID算法，在第5秒時加入干擾，可以得到如圖5所示結果。從結果中可以得出以下結論，采用本算法無超調，調節時間比較短抗干擾性好，具有很好的穩定性。

圖5 存在干擾時的仿真結果

由此可見，增量式模糊PID控制算法對本清淤機器人運動控制系統的穩定性和控制效果較好，初步實現了機器人液壓馬達轉速控制，使得機器人實現涵道中的運動。

5 結束語

以上研究成果，實現了清淤機器人的安全穩定運行，在不中斷涵道正常排水前提下，快速、安全、高效地完成了城市排水涵道的清淤工作。清淤作業過程中無需作業人員進入涵道內，改善了一線人員的工作環境，保護了作業人員的人身安全，提高了清淤機器人的控制性能。為水下管道清淤疏浚機器人長時間安全可靠運行奠定了基礎。