水下浮游探測器系統設計與實現*

國核電站運行服務技術公司 沈杰 趙琛 王一帆 李思穎

AP1000三代核電站的余熱排出熱交換器水箱需進行周期性的目視檢查，由于環境復雜且具有輻射性，必須通過水下探測設備進行遠程檢查。本文設計了一種能夠自由定深、運行平穩，攜帶攝像系統，監視、監測和記錄余熱排出熱交換器水箱目視檢查全過程的水下浮游探測器系統，通過對設計方案的具體闡述，模塊化方式處理各個控制部件，開發出了相應的控制軟件。現場測試表明，該系統性能穩定，實用性強，達到了設計要求，具有一定的應用前景。

隨著自動控制技術和核電技術的迅速發展，水下機器人技術被廣泛應用于核工業應用領域，特別是在有放射性的核環境下，通過工作人員遠程控制水下機器人完成相應的無損檢測的任務，從而有效減少現場作業人員的輻射傷害和減輕工作負擔，且能提高無損檢測效率和準確性[1-4]。

根據AP1000三代核電站自主檢查大綱要求，需要在運行周期內對余熱排出熱交換器等非能動安全系統重要部件進行水箱內周向三側全面目視檢查[5-6]。該水箱為封閉式水箱，只有一個通道可以進入，水箱總體高度約為10m，停堆檢查時水位高度約為5m，人員無法進入水箱內檢查，且無法用長柄工具實現檢查[7]。為有效完成余熱排出熱交換器水箱目視檢查，需開發一套水下浮游探測器系統。

1 控制系統設計要求

為有效完成余熱排出熱交換器水箱目視檢查，在市面上現有水下富有探測系統基礎上總結經驗，分析原有設計缺陷，對現有水下浮游探測器系統進行改進。本文所提出的水下浮游探測器能夠自由定深、運行平穩，攜帶攝像系統，監視、監測和記錄余熱排出熱交換器水箱目視檢查全過程，自帶照明系統，滿足本身攝像及作業所需要的光照強度，并能執行異物拾取等任務。

水下浮游探測器系統的設計要求以下幾項：（1）保持推進器螺旋槳推進力持續運行；（2）改變視頻清晰度低，亮度低，可視距離較短的缺陷；（3）高集成度控制系統，體積小，重量輕，便于使用和運輸；（4）具備數據存儲系統，并具有外聯接口；（5）良好定深性能，懸停性能優化。

2 水下浮游探測器系統總體方案

2.1 總體組成

完整的浮游器總體包括浮游式潛水器本體、水面支持設備（控制箱、便攜式控制盒等）和臍帶絞車及臍帶電纜，浮游器系統總體組成圖如圖1所示。

圖1 浮游式潛水器總體組成Fig.1 Overall composition of floating submersible

其中，浮游器本體是水下運動設備和傳感器的搭載平臺。水面支持設備包括控制箱和便攜式控制器，浮游器本體與水面控制箱通過臍帶電纜連接。控制箱提供浮游器本體動力和控制指令；便攜式控制器提供移動式操作，方便操作人員就地觀察并操作浮游器。控制箱及便攜式控制器均帶監視器，浮游器本體從水下獲得的視頻圖像和各種參數在監視器上疊加顯示。臍帶絞車的滾筒固定在絞車底盤后部，絞車底盤前部安放浮游器。臍帶電纜可通過手動轉動滾筒收放臍帶纜，滾筒不含滑環，因此吊放時應先將需要的臍帶纜放出，再將甲板臍帶纜上兩端接插件插接在控制箱盒臍帶絞車上的插座上，然后可以上電和布放[8]。回收時同樣先將浮游器吊出水面回收，然后斷電，將甲板臍帶纜兩端與控制箱盒臍帶絞車分離，然后再將臍帶纜盤在滾筒上。

2.2 技術指標和參數

控制系統應達到的技術指標和參數如下：

（1）控制箱。

外形尺寸：

重量：<25KG；

結構：箱式，帶拉桿；

（2）便攜式控制盒。

外形尺寸：

重量：<5KG；

結構：箱式；

（3）絞車。

外形尺寸：

重量（含臍帶電纜）：<25Kg；

結構：帶滾輪，便于移動；

（4）最大進退速度：12m/min；

（5）攝像：水平分辨率(彩色/黑白):480/570線；

（6）推進力：前進方向推力≥1.5KG；垂直方向推力：≥1.5KG；

（7）云臺俯仰角度：-90°～+90°；

（8）臍帶纜：50m；

（9)系統便與清洗、去污，外部結構盡量平滑；水下照明和攝像頭有保護裝置，避免與容器的碰撞，避免燈罩玻璃碎片的脫落；

（10）便于安裝、起吊，即投放和回收，包括故障等緊急情況下的起吊和回收；

（11）水下使用電壓≤36V。

3 系統硬件設計

3.1 浮游器本體設計

浮游器本體即系統所有水下執行機構，為了保證可靠性，采用水面采集、控制和驅動的控制方式，驅動方式均為一對一[9-10]。浮游器本體上包括的執行機構有個推進器、直流伺服電機、機械手關節電機、直流防爆電機、云臺電機、直流電機、和攝像機調焦電機。其中，浮游器本體上包括的傳感器有HMR3000羅盤與姿態傳感器、深度傳感器、漏水檢測探針，對于主要的水下傳感器，也將其信號直接回傳后再進行采樣。

對浮游器本體，控制系統提供3種控制模式：手動、自動（正常模式）、應急。手動和自動控制模式下，操作人員通過控制處理器進行浮游器控制，在應急狀態下，允許切斷控制處理器，由操作人員直接控制水下電機。

3.2 水面支持設備設計

水面支持設備包括控制箱、便攜式控制器和臍帶絞車。其中便攜式控制器可以與控制箱分離，在10m范圍內活動。

控制箱是浮游器控制中心，所有的輸入、輸出、計算、控制及驅動都是控制箱發出的。具有功能如下：電源輸入、臍帶電纜輸出、水面攝像機輸入、自動/手動控制模式切換、推進器應急控制、運動自動控制、用于水下數據顯示的視頻顯示器和綜合顯控系統，其中綜合顯控系統包括電源、主控計算機和控制電路、視頻字符疊加器，實現的功能包括：（1）浮游器操縱控制指令生成和下行發送；（2）自動控制規律的計算：基于PID的自動定向、定深功能，以及推力分配功能；（3）浮游器視頻數據合成與顯示。來自水下攝像機的視頻被送往顯示器顯示，通過視頻字符疊加，在顯示器上同時顯示浮游器狀態信息如深度、首向、縱橫傾、操縱狀態、時間、客戶字符等。

便攜式控制器是為方便操作人員在水池旁觀察操作使用，具有體積小，重量輕和操作方便等特點，具有信號指示燈、云臺俯仰控制、機械手伸縮控制、機械手卡抓控制、光強度控制、運動手動控制、垂直控制旋鈕和運動自動控制等功能。

4 浮游探測器控制系統

4.1 控制原理及電控系統組成

水下浮游式遙控探測器的電控系統用于實現整個系統的能量分配、設備控制、航行控制和狀態監測功能。水下浮游探測器控制系統主要包塊三部分：便攜式控制盒、控制箱和浮游式潛水器本體，原理圖如圖2所示。控便攜式控制器、漏水與絕緣在線檢測及推進器驅動器與控制箱都是通過串口相連接的，制箱內主控計算機模塊是多串口計算機，主控計算機有豐富接口，傳感器及操作信息直接與其相連，省去了很多外圍電路，簡潔了電路，減小了系統體積，使得控制箱小型化成為可能。現場控制計算機和本地控制計算機具有同樣的操作功能，通過本地控制計算機對現場控制計算機進行通訊實現遠程控制，如帶燈按鍵、撥動開關、操縱桿、電位器等控制操作。現場控制計算機通過接口電路可實現視頻監控相機調焦電機的運行、漏水報警、羅盤和深度計的反饋，通過調光器實現雙水下燈供電和控制，通過驅動器實現4個推進器、機械手和云臺的操縱。

圖2 控制原理Fig.2 Control principle

電控系統由基本航行控制系統、應急航行控制系統、手臂手爪控制系統、視頻監控系統、照明控制系統、云臺控制系統、漏水與絕緣檢測系統、電源系統等8個系統組成。考慮到輻照環境下的可靠性，水下系統非常簡單，主要的功能都被集中到水面實現，因為基本航行控制系統和應急航行控制系統與電控系統的核心內容。

4.2 基本航行控制系統

基本航行控制系統包括450智能控制板、推進器驅動器及對應4臺推進器、傳感器信號采集模塊、控制面板信號采集模塊。這些模塊通過RS485總線組成局部網絡，共同實現浮游器的運動控制，與基本航行控制系統對應的控制面板控件為：自動控制控件、手動控制控件。

4.3 應急航行控制系統

除了基本航行控制系統以外，浮游器還配置了1套應急航行控制系統，用于4路獨立雙刀常開觸點繼電器控制，實現常規/應急切換隔離與非智能I/0控制。

5 系統軟件設計

為了使控制軟件中的各模塊相互協調穩定的工作，讓系統智能控制板的時序資源得到充分的使用，必須對軟件結構與時序進行考慮和良好的設計。

主控器的軟件結構如圖3所示。與硬件電路模塊相對應，系統軟件的模塊劃分為：

圖3 主控制器軟件結構圖Fig.3 Software structure diagram of main controller

（1）主模塊：軟件入口和綜合管理。

（2）顯示模塊：參數視頻顯示管理。

（3）姿態傳感器信息處理模塊：HMR3300信息采集與預處理。

（4）遠程通訊模塊：遠程便攜控制單元與本地控制單元的數據通訊。

（5）絕緣漏水通訊模塊：絕緣漏水板與本地之間的數據通訊。

（6）I/O口信息采集模塊：控制面板和傳感器信息采集與預處理。

（7）定時器模塊：實時時序控制。

（8）推進器控制模塊：推力控制指令生成。

（9）部件控制模塊：機械手臂、手爪、云臺、攝像頭等部件的控制指令生成。

在實時控制模塊中，定義了三個時鐘，時鐘1（系統時鐘，0.1ms）：通過調用I/O信息采集模塊實現控制面板數據的采集及傳感器信號的預處理任務，通過調用部件控制模塊，生成各部件的控制指令；時鐘2（50ms）：通過調用推進控制模塊，完成推力指令生成任務；時鐘3（200ms）：調用顯示模塊，通過串口USART2，在發送中斷中發送視頻疊加信息，通過串口USART3，在發送中斷中，發送呼叫數據至絕緣漏水板。姿態傳感器模塊是使用ARM控制器中的接收中斷，當串口USART1有接收到由電磁羅盤發送過來的當前的水下機器人姿態信息時，便發生中斷，處理接收數據。遠程通訊模塊是使用ARM控制器中的中斷，當串口USART6接收到遠程控制單元發送的控制數據時，在接收中斷中處理接收數據；收到遠程控制單元的呼叫后，在發送中斷中發送絕緣漏水數據至遠程控制單元。絕緣漏水通訊模塊使用ARM控制器的中斷，通過串口USART3，在發送中斷中，發送呼叫數據至絕緣漏水板；在接收中斷中處理收到的絕緣漏水數據。I/O口信息采集模塊，通過使用ARM芯片的DI及AI，完成各數字量及模擬量的采集及預處理。

6 現場測試

為驗證水下浮游探測器的主要功能和穩定性，本文對浮游探測器的自動定深功能與定向性能進行了測試。

6.1 自動定深功能測試

水下浮游探測器系統深度的測量誤差為±0.1m，測試時通過給定一任意目標深度，根據軟件界面顯示數據，來觀察定深效果，再改變水下浮游探測器目標深度值，保存水下浮游探測器的目標深度和實際深度數據，畫出定深曲線如圖4和圖5所示：

圖4 定深圖1Fig.4 Depth determination drawing 1

圖5 定深圖2Fig.5 Depth determination drawing 2

觀察結果如下：目標深度1.1m、顯示深度1.15m、深度顯示數據變動范圍為1.00～1.23m。由上面兩個圖可以看出，水下浮游探測器具有良好的定深特性。

6.2 自動定向功能測試

自動定向功能測試是通過改變水下浮游探測器目標首向角，保存水下浮游探測器的目標首向和實際首向數據，畫出定向曲線進行，定向曲線如圖6所示。

圖6 定向曲線Fig.6 Orientation curve

根據實測效果可知，水下浮游探測器具有較好的動態首向穩定性，而靜態首向穩定性仍需改善。

7 結語

本文在現有水下浮游探測系統的基礎上，總結經驗，分析原有設計缺陷，對現有水下浮游探測器系統進行改進，通過研究與開發，最終形成一套水下浮游探測器系統，該系統能夠自由定深、運行平穩，攜帶攝像系統，監視、監測和記錄余熱排出熱交換器水箱目視檢查全過程，自帶照明，滿足本身攝像及作業所需要的光照強度，并能執行異物拾取等任務，能夠滿足余熱排出熱交換器水箱目視檢查的要求。水下浮游探測器系統的研制與開發，是核輻射環境下水下監控機器人開發的一次有效嘗試，可以勝任多種作業任務，如核電站堆內構件檢查、核電站堆內構件維修與更換的監控、核電站主管道內部目視檢查、核電站換料水池及乏燃料水池的目視檢查及異物拾取等，同時該系統還可以應用于其他非核領域相關設備的水下目視檢查及水下異物拾取，其應用前景非常廣泛。