水下檢測與清污機器人R0V模態切換模塊設計與實現

常路，林仁義，劉海艦，陳偉，曾慶軍

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江212003）

水下檢測與清污機器人R0V模態切換模塊設計與實現

常路，林仁義，劉海艦，陳偉，曾慶軍

（江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮江212003）

文中提出了一種面向水下結構檢測與清污、多功能、模塊化、模態切換的新型ROV（Remote1y Operated Vehic1e）設計方案，利用So1idWorks軟件完成各子模塊的虛擬建模、結構布置和虛擬裝配，著重研究了可使ROV在浮游和爬行模態之間自由切換的模態切換模塊設計并加工完成。開展了水池自航實驗，在多次實體調平和水密實驗后，結果表明，通過上位機控制系統實現了對ROV的靈活操控，航行穩定性較好，并能實現定航和定深功能，樣機各模塊性能較好地達到設計要求。

水下機器人；虛擬建模；模態切換；控制系統

水下結構檢測與清污機器人是有纜遙控水下機器人（Remote1y Operated Vehic1e，ROV）的一種，它具有機動靈活、動力充沛、作業深度大、續航力強和環境適應性強等特點，被廣泛應用于水下觀察、海洋勘探、海洋平臺的安裝與維修、海洋管線的鋪設與檢修以及水下考古等作業。ROV通過臍帶纜與水面聯系，既需要執行傳統的水下任務，又可實現近距離結構檢測，以及水下結構物、堤壩、船底等清污作業。因此，開展水下結構檢測與清污機器人控制系統的研究對于海洋工程的發展具有十分重要的意義［1_2］。

文中研制一種面向海洋工程水下結構檢測與清污的新型有纜遙控水下機器ROV，該ROV是一種多功能、模塊化、模態切換ROV。本文將重點介紹ROV的總體設計，模態切換模塊機械設計、控制系統設計，整體調試與實驗幾方面。

1　R0　V的總體設計

1.1R0V設計要求

文中研制一種面向海洋工程水下結構檢測室的ROV，該ROV是一種多功能、模塊化、模態切換的ROV，通過水面控制平臺控制水下潛航體自由運動，進行水下結構檢查作業，在有需要時可以模態切換成爬壁模式，進行爬壁清污作業。

1）能夠在淺水中進行浮游勘察作業，能夠完成4個自由度（上浮下潛、前進后退、左轉右轉、俯仰）的運動；

2）能夠實時采集水下攝像頭的視頻并且錄制下來，進行水下結構檢測，能夠獲取水下機器人的深度、姿態、溫度等傳感器信息并且保存下來；

3）能夠在爬行狀態下，貼住水壩、船底等物體表面，可以進行近距離檢查和清污作業。

1.2R0V技術參數

海洋工程水下結構檢測的ROV適用范圍更廣、功能更多、并且模塊化設計安裝。如下表1是ROV關鍵技術參數。

1.3R0V系統結構

根據上述設計指標，將ROV系統分為水面控制系統和水下控制系統兩個子系統，它通過臍帶纜連接進行信號、能源的傳輸。本體結構采用開架式結構，這種結構方便設計制造安裝，也方便設備的添加和更換，在纜控型水下機器人中應用廣泛。水下機器人由搖桿、PC機、控制箱、臍帶纜和水下機器人本體組成，小型水下機器人不需要中繼器。

如圖1所示是ROV系統總體結構框，水面控制系統包括電腦、鼠標、搖桿和水面控制臺，其中把電源、通信設備做進一個機箱內變成一個便于攜帶的水面控制箱，上位機軟件和輸入設備裝在筆記本電腦上，操控水下機器人運動并實時顯示水下傳感信息和視頻信息。

表1　MC-R0V關鍵技術參數

圖1　ROV系統總體結構框圖

1.4R0V本體設計及工作原理

水下潛航體主要是一個能夠攜帶各種檢測設備、導航裝置、作業設備、水下控制器、推進器的載體。本文設計一種容易拆裝、方便布置和安裝設備的模塊化開架式載體。設計時要考慮的問題有：各模塊體積形狀對水下潛航體自穩性、操縱性影響、模塊設計制造問題、各部分吸水率問題、載體框架強度問題、設備拆裝方便性問題和外形設計符合指標性等問題。

如圖2所示，水下潛航體由十個主要部分組成，包括：①載體框架；②浮體；③從動輪模塊；④控制艙；⑤驅動艙；⑥視覺照明模塊；⑦垂向推進模塊；⑧縱向推進模塊；⑨模態切換模塊；⑩爬行清污模塊。載體框架作為搭載基礎，是由螺栓連接的鋼制矩形框架結構；浮體被4個浮體連接件安裝在載體框架的上部，3個大圓孔為推進器的導流通道；載體框架前部下方安裝有從動輪模塊，兩個萬向輪可作為前置從動輪；控制艙安裝在載體框架的前部中下層；驅動艙放在控制艙上，并與從動輪模塊可靠固接；視覺照明模塊安裝在載體框架前部中上層，包括兩個水下LED照明燈和一個水下攝像機；載體框架中層首尾對稱布置安裝兩個垂向推進模塊，由導管螺旋槳推進器以及各種連接零件組成；一對縱向推進模塊是由尼龍齒輪驅動導管螺旋槳，左右對稱安裝在載體框架的兩側；模態切換模塊安裝在載體框架的中部；兩個爬行清污模塊是由尼龍齒輪驅動主動車輪和清污滾輪，左右對稱安裝在載體框架的尾部下層兩側。

ROV入水后，水下傳感器將水下信息實時反饋到上位機端。根據傳感器返回信息，操控人員利用上位機軟件或操縱搖桿來控制ROV水下作業，水下潛航體靠自帶的推進器進行浮游運動，并利用水下攝像機進行水下勘察作業。當接近目標壁面后，打開吸附推進器控制模態切換模塊改變縱向電機動力作用點，從而實現浮游和爬行兩種模態的切換：當縱向電機與縱向螺旋槳齒合時可實現機器人4自由度浮游運動［3］；當縱向電機與傳動盒上齒輪齒合時實現機器人的爬行清污作業；同時傳動盒可以給后置的兩個車輪和清污毛刷傳輸動力，在爬行時吸附推進器提供貼壁反推力。ROV多功能，模塊化的設計與開發有助于零件的更換與維修，整個系統制造成本低、加工方便簡單、供電系統能耗較小；同時可以在壁面爬行和清污，也可以浮游時進行勘察作業，活動范圍廣。

圖2　水下本體結構布局

2　模態切換模塊設計

2.1模態切換模塊結構設計

2.1.1設計原理

模態切換模塊是ROV中的核心模塊，操作者可以通過水面控制平臺控制機器人水下作業，實現機器人浮游勘察和爬行清污作業，并可以在浮游和爬行模態之間進行自由切換。

本模塊使用so1idwork完成模態切換模塊的虛擬建模，使用基于有限元計算軟件Simu1ation模態切換模塊進行強度校核，使其設計強度和剛度均滿足使用要求［4］；ROV可以在浮游和爬行模態之間自由切換，可代替潛水員進入較深水域和危險環境進行工作，對水下結構進行監察與清污作業。ROV設計為浮力略大于自身重力，如果作業過程中出現電路異常或遇到緊急情況可自動緊急上浮，保證機器人安全［5］。模態切換3D建模及主要功能部件如圖3所示。

圖3　3D建模及主要功能部件

2.1.2模塊工作原理

將連接步進電機的絲桿滑臺垂直固定在模態切換平臺上，靠絲桿滑臺進行模態切換［6］。在水下機器人進行浮游模態到爬行模態切換時，通過步進電機的絲桿來控切換平臺，實現模態的切換，接下來控制清污刷子的運轉，從而達到清污目的，同時縱向電機可以控制水下機器人的貼壁爬行。爬壁清污狀態結束后，切換平臺在螺桿的作用下向上運動，運動到上邊界時，尼龍齒輪與縱向推進模塊的尼龍齒輪嚙合，可為縱向螺旋槳提供動力，垂向推進模塊保證機器人懸浮，水下機器人可以進行浮游作業。切換平臺上裝有上下兩個行程開關，當切換過程結束時立刻停止步進電機運轉。對整個控制系統進行聯調，通過水池試驗證明水下機器人模態切換裝置的可行性和可靠性。

MC_ROV工作在浮游監測與爬壁清污狀態時模態切換模塊與其他模塊的嚙合情況分別如圖4和圖5所示。

圖4　浮游檢測狀態

圖5　爬壁清污狀態

現有的市場化的水下機器人一般為檢測型或為專業清污型，它們的外形設計都不足以使兩者結合起來［7］，但是我們設計的ROV是一款面向海洋工程水下結構檢測與清污、多功能、模塊化模態切換的新型ROV，模態切換驅動裝置是其關鍵部件，可在浮游和爬行模態之間自由切換，使其能勝任浮游檢測和爬壁清污工作模式。

2.2模態切換模塊控制系統設計

2.2.1硬件設計

由于模塊對精度要求較高，為了良好實現切換功能，我們選用步進電機作為其驅動電機，步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元步進電機件。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，達到準確定位和調速的目的［8］。

上位機和下位機采用USB轉rs232通訊，波特率為9 600 bps。一次成功的通信包含上位機對下位機準確發送控制信號和下位機對上位機發送正確的反饋信息。基于RS_ 232C標準串口定義，只需要使用數據發送、數據接收和共同地線這3根線，即采用“三線制接法”［9］。

電機采用57步進電機，配以BL_TB6560_V2.0驅動器［10］，采用89C52單片機控制電機，硬件框圖如圖6所示。

圖6　模塊硬件框圖

2.2.2上位機監控軟件設計

任何監控系統都離不開人機交互界面的設計，它是人與計算機之間傳遞信息的中介和接口，它把信息的機內形式轉換成人類可以接受的信息，如圖像、聲音、光電、振動等，所有需要人和計算機交流的領域都有人機交互界面HMI的應用［11］。

ROV水面控制系統的監控軟件采用VB編寫，它一方面負責鼠標信息，將這些信息轉換成控制指令傳送給水下機器人電機控制系統，另一方面顯示水下控制系統返回的各種速度信息。如圖7為結構框圖。操作者可以鼠標點擊相應按鈕實現模態切換模塊中兩個步進電機的起停、正反轉動及加減速控制，當模態切換完成時，行程開關自動停止電機運轉。

數據通訊通過VB中的MSComm控件實現，它提供了一系列標準通信命令的接口，它允許建立串口連接，可以連接到其他通信設備（如Modem）［12］。

圖7　監控軟件結構框圖

2.2.3下位機軟件設計

水下機器人下位機軟件開發采用了美國Kei1 Software公司出品的Kei1 μVision4開發環境，它供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（μVision）將這些部分組合在一起［13］。本系統采用C語言進行開發，C語言程序簡潔易讀，語言結構性好，可移植性強。

51單片機是水下控制系統的核心，下位機軟件基于該單片機編寫，需要時刻控制電機的運行，還需要不斷與上位機進行通信［14］。如圖8所示為下位機軟件程序結構框圖，程序分為主程序和中斷程序兩部分，主程序是處理器在24 MHz主頻下，不斷循環運行，主要有系統初始化程序，延時程序，電機低速正轉程序，中斷程序是使處理器對外部或外部發生的事件能夠實時處理而設置，包括電機的起停轉向和調速控制。

圖8　軟件結構框圖

3　水下實驗與結果分析

3.1水下定航實驗

定航是水下機器人的主要功能之一，也是衡量水下機器人性能的主要指標之一［15］。在MC_ROV系統中設定期望航行角后，利用導航傳感器記錄MC_ROV水下實際航行數據。將實驗數據導入MATLAB，按照導航解算步驟編寫程序，繪制出定航曲線圖，如圖9所示。分析定航曲線圖后可知，MC_ ROV系統定航響應快，超調小，穩定時間在20秒以內，航向穩定后誤差范圍在3°以下，滿足定航要求。而誤差產生的原因主要是由于慣性器件誤差隨時間累積導致導航效果變差。如圖10是航向角穩定后，MC_ROV在水下定航行駛。

圖9　MC_ROV定航實驗曲線圖

圖10　MC_ROV定航實驗

3.2水下定深實驗

與定航一樣，定深也是檢驗水下機器人性能的主要指標之一。在MC_ROV系統中設定期望航行角后，利用深度傳感器記錄MC_ROV水下實際航行數據。定深曲線圖與定深誤差曲線圖分別如圖11與圖12所示。分析2個圖可知，定深實驗開始后，MC_ROV大約需要15 s左右才能達到預定深度；誤差基本上在0～0.2 m范圍內波動。其主要原因有3個：一是選取的推進器功率稍小，動力略顯不足；二是定深設備固有誤差較大，在35 cm左右；最后是因為水流壓力的隨機性對深度傳感器造成了不確定性影響。

圖11　MC_ROV定深實驗曲線圖

圖12　MC_ROV定深誤差曲線圖

4　結論

針對一種面向海洋工程水下結構檢測與清污、多功能模態切換的新型ROV，開發了一套水面水下控制系統。水面控制系統包括電源、操控搖桿和上位機軟件，本體包括水下控制器、視覺照明模塊、水下傳感設備動力推進單元。可實現遙控和監控兩種模式下的中等范圍搜索和定點觀測，并可在浮游和爬行模態之間自由切換。水下實驗表明：ROV機械、控制系統軟硬件和通信都正常運行，定航、定深功能運行良好，能夠實現兩種模態之間的切換，實現了水下結構檢測與清污功能，滿足使用要求。

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Deslgn and lmPlementatlon of R0V mode sWltch module for underWater detectlon and cleanlng robot

CHANG Lu，LIN Ren-yi，LIU Hai-jian，CHEN Wei，ZENG Qing-jun
（School of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

In this paper，a new ROV（Remote1y Operated Vehic1e）design scheme is proposed，which is based on the detection of underwater structure，the function of the system，the modu1e and the mode switch.The So1idWorks software is used to comp1ete the virtua1 mode1ing，structure 1ayout and virtua1 assemb1y of the sub modu1es，and the design and processing of the mode switch modu1e which can make the ROV between the f1oating and the craw1ing modes are studied.The experiments of the water poo1 in the air are carried out.The resu1ts show that the contro1 system can achieve the f1exib1e contro1 of ROV and the navigation stabi1ity is good.

remote1y operated vehic1e；virtua1 mode1ing；dynamic mode1s；simu1ation

TN02

A

1674_6236（2016）10_0166_04

2015_12_01稿件編號：201512004

國家自然科學基金項目（61503162）；江蘇省自然科學基金項目（BK20150473）；江蘇省大學生創新訓練創業計劃項目（201510289015Z）

常路（1994—），男，江蘇鎮江人，碩士研究生。研究方向：先進控制技術與應用。