一種面向養殖工船艙壁清洗水下機器人

王云杰，林禮群，馬鳳爽，徐志強，高迪駒

應用研究

一種面向養殖工船艙壁清洗水下機器人

王云杰1,2，林禮群1,2，馬鳳爽1,2，徐志強1,2，高迪駒3

（1. 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 200092；2. 農業農村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；3. 上海海事大學，上海 201306）

養殖工船艙壁清洗水下機器人是養殖作業的重要關鍵設備之一。針對深遠海養殖工船的實際需求，研究了一種養殖艙壁清洗水下機器人。分析了水下機器人的艙壁靜力學原理和艙壁運動動力學原理，建立了運動坐標系，并提出了一種基于模型預測控制的路徑跟蹤策略。最后，分別通過對水下機器人自由控制和跟蹤控制實驗驗證了的控制策略。實驗結果表面，該方法能夠獲得良好的控制效果。該水下機器人的研究方法可為養殖工船清洗作業提供一種有效的解決方案。

養殖工船 艙壁清洗 水下機器人 模型預測控制

0 引言

由于我國深遠海平臺養殖起步較晚，系統性養殖工藝與支撐設備的關鍵環節、關鍵技術仍然存在不少問題[1,2]。其中，養殖工船艙壁面附著的海生物與養殖污物去除是工船養殖作業的重要環節之一。養殖艙環境因長時間受海水、剩余餌料及魚類排泄物作用，容易繁衍滋生藻類、貝類等附著物，造成魚類的生存環境惡化、寄生蟲滋生，使養殖產品死亡率增加，因此需采用艙壁清潔系統定期清潔艙壁，保證良好的艙養環境。

盡管使用水下機器人用于清潔養殖艙壁，但目前這類機器人存在以下亟待解決難題：一是現有市場上比較成熟的水下清洗設備主要是針對深度10米以下的游泳池開發應用，滿足不了大深度、耐海水腐蝕及堅硬附著海生物的清洗去除要求[3]。二是針對船體表面清洗類的設備主要是水上作業，或水下半自動化作業。由于船體表面附著物堅硬、厚度大，所以大多采用高壓水噴射裝置清洗，容易去除表面防銹材料，清洗設備成本高，且與養殖艙壁面水下清洗條件不相適應[4,5]。三是現有水下清洗自動化設備都采用推進器形式吸附表面，推進器產生的水流擾動對養殖魚群影響很大[6]。

為此，根據深遠海養殖工船的實際需求，研究一種養殖艙壁清洗水下機器人。首先，提出該水下機器人的設計方案，并對其進行力學分析。接著，研究水下機器人的控制系統，提出一種基于模型預測的控制策略。最后，通過仿真實驗驗證該控制策略的有效性。

1 水下機器人設計

1.1 需求分析

深遠海養殖工船場景中，以某海洋養殖工船中較有代表性的艙體為例，如圖1所示。單個艙體的尺寸約為22.5 m×19.5 m×14.5 m，該艙體待清洗表面積約1600 m2，其中，邊切角約為135°。艙體材質為鋼材材質，規格為12 mm厚鋼板。

圖1 某海洋養殖工船艙體示意圖

因此，對水下機器人的具體功能需求包括：能穩定吸附在垂直艙壁和底部艙壁5個壁面；清潔過程不傷害艙體壁面油漆；按規劃路徑自動清洗各壁面，實現較好的清潔效果；有故障報警功能，且緊急情況下自動斷電保護；可在岸基設備觀測機器人狀態。

1.2 水下機器人設計方案

根據上述需求，設計一種養殖艙壁清洗水下機器人，如圖2所示，以解決深遠海養殖工船艙壁清洗問題。該養殖艙壁清洗水下機器人由機器人主體模塊、清洗模塊、視覺感知模塊和運動控制模塊四大部分組成。

機器人主體模塊主要由機器人箱體（尺寸約為1米×1米）、支撐輪組成。在機器人箱體一端的左右兩側各安裝一個主動支撐輪，在其另一端的中間位置處安裝一個從動支撐輪，由三個輪支撐機器人的平衡。主動支撐輪具有驅動功能，而從動支撐輪僅做平衡支撐作用。此外，這三個支撐輪還有具有磁力吸附作用，使得機器人能夠在艙體壁的任何地方行走。水下機器人主體依靠兩組主動支撐輪進行驅動，同時，利用速度差實現轉向。

圖2 養殖艙壁清洗水下機器人示意圖

清洗模塊由空化射流清洗盤、清潔毛刷組成。在主動磁力吸附輪的一側安裝空化射流清洗盤，基于高壓水空化射流技術對艙壁進行清洗，其中，空化射流清洗盤通過進水管與射流泵站相連，射流泵站通過控制信號與工控機相連接。在清洗盤清洗后，再通過清潔毛刷的實現二次清洗。

視覺感知模塊主要由安裝在機器人箱體前后端的兩個高清攝像頭和頂部姿態傳感器、深度傳感器組成。利用兩個高清攝像頭采集大量清洗前后的圖像數據，使用圖像識別和機器學習算法訓練清洗前后清潔度特征，構建清潔度識別模型，用以判斷清潔區域是否達到清潔要求，將識別結果輸入給機器人運動控制邏輯，實現機器人自動清潔功能。利用機器人安裝的臍帶纜在運動過程中的長度變化，絞盤主被動收放纜觸發信號，同時，融合深度傳感器和姿態傳感器可實現機器人的定位控制。

運動控制模塊由嵌入式控制器、信號采集模塊、圖像處理模塊和電源模塊組成。利用控制算法實現水下機器人的運動控制。

1.3 機器人整體力學分析

1.3.1 艙壁靜力學分析

水下機器人利用磁力吸附技術將機器人橡膠輪子吸附在艙壁上，其受力情況如圖3所示。

圖3 水下機器人受力分析

如要使得水中的機器人能夠靜止吸附在艙壁上，應滿足如下條件：

1.3.2 艙壁靜力學分析

為了實現艙壁清潔工作，水下機器人不僅需要穩固地吸附在工作表面，而且還需要在穩固吸附的基礎之上能夠正常地向各個方向運動。為此，在滿足靜止吸附條件之外還應該滿足相應的驅動條件：

其中：為驅動電機輸出的驅動力。

結合爬壁機器人壁面運動動力學原理[8]，機器人在艙壁運動的動力學方程可表示為：

其中，為機器人輪子的軸速度；為輪子質量；驅動力矩；為轉動慣性矩。

2 控制系統

2.1 機器人運動學模型[9]

為了研究水下機器人的運動特性，首先建立描述水下機器人運動的坐標系系統，包括慣性坐標系與載體坐標系。慣性坐標E-x0y0z0，原點E取水域中一固定點為原點；載體坐標系o?xyz，以水下機器人重心o為原點，并隨水下機器人一起運動，如圖4 所示。

圖4 水下機器人運動坐標系

考慮到計算的方便性，在分析水下機器人運動時引入載體坐標系。載體坐標系是以水下機器人的剛體為基準建立的坐標系。由于轉動慣量和慣性積是與水下機器人的形狀、密度分布以及質量有關的物理量，因此在該坐標系中，水下機器人的轉動慣量和慣性積都是常數，同時受到的推力大小和方向也不會隨著水下機器人運動的變化而改變。水下機器人在慣性坐標系中的位姿分別可以用位置坐標（0，0，0）和姿態角（）來表示，分別為橫搖角、縱傾角和艏向角；水下機器人在載體坐標系中的線速度和角速度分別為()和() 。水下機器人在六自由度下的運動學轉換方程為[10]：

由于水下機器人貼壁工作，不必考慮全部6個自由度的運動，只考慮進退()、橫移()和轉艏()三自由度。對應的運動學方程可以進行簡化。這里對水下機器人進行路徑跟蹤進行研究，因此，慣性坐標系下水下機器人的位置及角度量變量和載體坐標系下水下機器人的線速度與角速度變量之間的關系可表示為：

且當時間趨向于無窮時，水下機器人的位姿誤差趨于零。即有：

2.2 基于模型預測的跟蹤控制策略

模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）是一種先進的過程控制，它使用一組約束來調節過程，并預測系統未來的行為。在實際的水下動態目標跟蹤過程中，由于水下機器人動力系統對于控制量跳變要求比較嚴格，因此本文將控制增量作為目標函數的狀態量，所構建的優化目標函數為：

其中，N為預測時域，N為控制時域。式(10)中，第一項反映了水下機器人對于動態目標的跟蹤能力；第二項反映了對控制量平穩變化的要求，和是權重矩陣。基于MPC水下機器人軌跡跟蹤策略原理框圖如圖5所示。

圖5 基于MPC水下機器人軌跡跟蹤策略原理框圖

3 實驗與分析

為了進一步研究面向養殖工船艙壁清洗水下機器人的功能，分別采用自由控制和跟蹤控制的兩種方式進行驗證。

1）自由控制

自由控制是一種開環控制，僅僅簡單地響應輸入信號。控制水下機器人在養殖工船艙底移動，從A點出發，仿真速度控制在0.5 m/s，產生仿真結果如圖6所示，該仿真結果顯示了水下機器人在沒有設定方向情況下的非線性運動，也表明了水下機器人可以實現自由移動。

圖6 開環控制時水下機器人運動軌跡

2）基于MPC的軌跡跟蹤控制

本研究利用Matlab/Simulink搭建了基于MPC的跟蹤控制仿真系統，基于MPC的軌跡跟蹤控制是一種閉環控制。其中，采樣時間為0.1 s，控制時域和預測時域均設置為10個時間步長。優化器根據MPC控制器對未來計劃輸出的預測，找到驅動預測計劃輸出盡可能接近設定點的理想控制輸入序列。另外，根據文獻[11]加入了基于PID的軌跡跟蹤方法進行對比。兩種跟蹤控制方法充分考慮了水下機器人的自身尺寸、慣性，同時忽略水流、水溫等環境因素的影響。實驗結果如圖7所示。

圖7 基于MPC的水下機器人運動軌跡

在圖7中，灰色虛線是圍繞養殖工船艙壁的一條設定軌跡，目標是期望水下機器人沿著該目標軌跡運動。仿真實驗從A點開始，根據實驗數據獲得水下機器人的行動軌跡（紅實線是基于MPC跟蹤控制的結果，點劃線是基于PID跟蹤控制的結果）。從圖7中，可以看出在兩種控制方法基本上都能夠實現在矩形的艙體內根據設定軌跡進行跟蹤控制。但基于MPC跟蹤最大偏移量是1.65 m，基于PID跟蹤最大偏移量是1.79 m，相比之下，前者控制效果相對較好。此外，基于MPC跟蹤軌跡的平滑性較基于PID差一些，這說明MPC的滾動優化在起一定作用，使系統進行頻繁調節。

4 結語

1）本文研究了一種養殖工船艙壁清洗的水下機器人，根據實際需求提出了水下機器人設計方案。分析了水下機器人的艙壁靜力學原理和艙壁運動動力學原理，并建立了運動坐標系。基于機器人動力學模型，提出了一種基于模型預測控制的路徑跟蹤方法。最后分別通過實驗驗證了機器人的控制策略。該水下機器人的研究方法可為養殖工船清洗工作提供一種有效的解決方案。

2）關鍵技術討論

針對養殖工船艙壁清洗功能的水下機器人關鍵技術包括：持續供電和水下通信技術、定位與導航技術、清潔控制技術、機器人控制策略等。

（1）持續供電與水下通信技術：自主移動水下機器人應配備足夠且可靠的電源，以保證水下機器人工作時間和清洗效率。同時，還需要具備可靠的水下通信系統，以便于與地面操作員進行實時通訊和數據傳輸。通常可用單獨的電纜連接所有傳感器和驅動器。

（2）定位與導航技術：在水下復雜環境中定位機器人并找到其路徑是一項極為重要的任務，當前僅使用相機通過圖像識別無法進行有效導航。

（3）清洗程度控制技術：基于清洗刷技術是水下清潔表面過程中使用最多的技術，與其他技術相比，其效率較高（200 m2/h至1000 m2/h），但它當不規則表面時，無法去除所有表面的生物污垢。

（4）機器人控制策略：水下機器人的控制系統要支持水下遙控和自主導航功能，并且需要保證其穩定性和安全性，以防止機器人在操作過程中意外受損或迷失方向。最常見的控制策略為根據清洗任務需要進行路徑規劃的跟蹤控制策略。

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An underwater robot for the bulkhead cleaning of farmer ships

Wang Yunjie1,2, Lin Liqun1,2, Ma Fengshuang1,2, Xu Zhiqiang1,2, Gao Diju3

(1.Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Ocean Fishing Vessel and Equipment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the P.R.C, Shanghai 200092, China; 3. Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

U672.7

A

1003-4862（2023）09-0071-05

2023-04-23

山東省重點研發計劃項目（2021SFGC0701）；浙江省“尖兵”“領雁”研發攻關計劃項目（2022C03023）；中國水產科學研究院協同創新項目（2023XT06）

王云杰（1988-），男，助理研究員，研究方向：漁業水下機器人。E-mail：wangyunjie@fmiri.ac.cn