遙控水下機器人擴展接口設計

國土資源部廣州海洋地質調查局 胡 波 田烈余 陳春亮

1.前言

海洋占地球總面積的70.8%，蘊藏著豐富的海洋資源，要開發和利用海洋，就必須了解和探索海洋。遙控水下機器人（ROV）作為先進的海洋探測工具已經廣泛應用到海洋環境，海洋工程和海洋地質等方面的科學考察上。目前世界上很多海洋科研機構都配備有用于科學考察的ROV系統，如日本JAMSTEC（日本海洋技術研究中心）配備有Kaiko號ROV系統，美國WHOI（伍茲霍爾海洋研究所）配備有JASON號ROV系統，法國Ifremer（法國海洋開發研究院）配備有Victor 6000ROV系統，我國的大洋一號和海洋六號船分別配備有海龍號和海獅號ROV系統。ROV不僅作為一個深潛器工具，更重要的是作為一個海洋科學考察和科學研究平臺，可以根據海洋科考的需要而配置和搭載不同的傳感儀器及取樣作業工具，為海洋探測提供了靈活多樣的技術方法。

Hysub130遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，以下簡稱ROV）系統是國內首套4000米級深海作業型ROV，以海洋六號船為母船，主要用于我國海洋資源調查和海洋科學調查，也可以進行水下拯救和打撈等工程作業。為了獲取海底目標點的海洋物理環境參數，很有必要對ROV系統的功能進行擴展，以便大大提高ROV系統的集成作業能力。本文以Hysub130 ROV系統結構體系為基礎，介紹了其功能擴展。

2.總體概述

Hysub130 ROV的控制系統主要是由甲板控制室和水下電子艙組成，二者之間通過臍帶纜單模光纖通過光端機進行通訊。水下電子艙cPCI計算機和甲板控制室的水面控制計算機組成基于100/1000 Base T以太網分布式控制體系架構，為系統的擴展提供接口。

常規海底傳感器比如CTD和甲烷傳感器等在ROV系統上的擴展應用主要包括通訊和控制三部分，Hysub130 ROV系統為方便用戶擴展專門設計提供了擴展電子艙，主要的功能擴展都在擴展電子艙里展開。

控制系統的電源擴展主要是利用ROV系統的備用120VAC電源在擴展電子艙里進行24伏直流電源模塊的擴展，用于給擴展傳感器及其擴展控制板供電。通訊和控制的擴展是基于ROV以太網分布式控制體系進行擴展，擴展電子艙通過網絡與主控電子艙里的光端機連接，將其內的串口網絡服務器連接到ROV系統的控制網絡，通過網絡擴展RS232串口為傳感器及其嵌入式控制板提供通訊通道。ROV控制室內的擴展應用上位計算機通過網絡來控制傳感器開關并接收其采集到的數據。擴展電子艙提供有水密接頭的擴展接口，通過水密纜及接插件連接擴展用海底傳感器。

3.通訊接口擴展

3.1 以太網串口服務器（ESP904）

ESP904是B&B公司專為苛刻的工業環境應用而設計的VlinxTM ESP系列以太網串口服務器，可自動偵測10/100Mbps以太網端口，支持TCP服務器、TCP客戶端、UDP、虛擬COM和配對（Pair）模式，可設置RS-232、RS-422或者RS-485端口及半/全雙工通訊方式。ESP904提供有不同的接口方式來配置以太網串口服務器，主要包括ESP管理器軟件、網頁服務器、控制臺模式和遠程登錄模式等，ESP904靈活的配置和用戶管理軟件可以很方便滿足用戶的通訊擴展需求。

為了實時接收和顯示傳感器數據，在ROV控制室配置有用戶PC，因而將VLINX ESP管理器安裝在用戶PC上，運行VLINX ESP管理器后自動尋找并顯示網絡上所有ESP904串口服務器的名稱、IP地址、網絡協議、端口號及端口狀態，選擇串口服務器上與傳感器設備相連接的串行端口，為了滿足傳感器設備的通訊要求，將ESP904設置為TCP服務器并配置為虛擬COM口模式，并在ESP管理器上設置與擴展傳感器設備相匹配的波特率。ESP管理器軟件中的Install Virtual COM在windows中安裝完驅動程序后，虛擬串口驅動的就是TCP或者UDP客戶端，新的COM口出現在計算機的Windows設備管理器中，從而在ROV控制系統的局域網中的計算機和以太網串口服務器的IP地址間創建了一個虛擬的連接，局域網對程序和串口設備是透明的，串口設備與PC上的物理COM口建立了直接連接。虛擬串行端口軟件將應用數據轉換為IP數據包，并通過網絡發送到ESP904，ESP904將IP數據包轉換為串行數據，并把數據發送到ESP904上的串行端口。

3.2 控制系統擴展

水下變壓器提供的120VAC交流電通過Victor的FARM模塊進行過濾和整流，以滿足控制系統的電源需求。為考慮后期擴展設備的需求，DC-DC直流轉換模塊的輸出功率為320W@24伏，因此選擇來自于FARM模塊的輸出功率為375W（假定直流轉換模塊的效率為85%），選擇V300A24C500BL為DC-DC轉換器，提供24伏直流電源輸出。FARM模塊具有一個AC前端模塊，可兼容Vicor的300V的輸入DC-DC轉換器，以實現自動調節，高密度和低功耗的開關電源。該模塊包括一個微控制器，可連續監視AC控制線橋接器/倍增器操作，具有EMI濾波，能自動調節整流，限制浪涌電流和過電壓保護，用戶只需要添加的保持電容和幾個分立元件，以滿足系統的要求保持。

通過電源和通訊通道擴展之后，ROV控制室和水下部分之間就建立了連接，水下嵌入式控制板采用的是32位ARM芯片，主要功能是與上位機控制軟件建立通訊并執行上位機軟件發送的命令控制CTD等傳感器設備的電源，并將電源開關狀態返回給上位機軟件。上位計算機成功安裝完ESP904驅動后，局域網對程序和串口設備是透明的，可以在上位計算機的設備管理器里找到擴展電子艙里的ESP904通過網絡虛擬的4個串口，并將其中的2個串口分別分配給傳感器和嵌入式控制板的上位機軟件。

4.小結

Hysub130 ROV系統的功能擴展模塊集成到ROV系統后，通過該系統聯調測試，該擴展技術方案完全可行。隨著ROV系統在海洋區域地質調查中的廣泛應用，ROV系統需要配置和擴展更多的傳感器和工具，該擴展接口完全能夠滿足擴展傳感器和工具的需求，為將來更多的海洋傳感器在ROV上的應用提供了技術方法參考和應用經驗，使得ROV系統在我國的海洋區域地質調查中能夠發揮更大的作用。

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