腹部作业型水下机器人控制系统研制

张玮康; 王冠学; 徐国华; 刘畅; 申雄

doi:10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.016

腹部作业型水下机器人控制系统研制

doi: 10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.016

张玮康^1,,
王冠学¹,
徐国华^1, ,,
刘畅¹,
申雄²

1.
华中科技大学船舶与海洋工程学院, 湖北武汉 430074
2.
武汉第二船舶设计研究所, 湖北武汉 430205

详细信息

作者简介:
张玮康, 男, 1992年生, 硕士生。研究方向:水下机器人控制技术。E-mail:zhangweikanghust@163.com

通信作者:
徐国华 (通信作者), 男, 1965年生, 博士, 教授, 博士生导师。研究方向:水下机器人, 智能控制技术。E-mail:hustxu@vip.sina.com

中图分类号: U674.941
计量
- 文章访问数: 300
- HTML全文浏览量: 27
- PDF下载量: 237
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2016-07-08
- 网络出版日期: 2017-03-13
- 刊出日期: 2017-04-01

Development of control system in abdominal operating ROV

1.
School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2.
Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430205, China

摘要

摘要: 目的针对无人水下机器人（UUV）的回收任务要求，研制开发一台新式腹部作业型水下遥控机器人（ROV）。腹部作业型ROV不同于一般依赖机械手作业的传统ROV，其通过腹部作业机构完成与UUV的水下对接及回收。方法介绍腹部作业型ROV的系统组成及原理，提出一种以一体化工业加固计算机为水面监控单元，PC104嵌入式工业控制计算机为水下主控单元，各驱动板为驱动单元的控制系统架构。同时建立腹部作业型ROV的动力学模型，并设计水平面定向控制的H_∞鲁棒控制器。结果单项试验、系统联调及水池试验表明，腹部作业型ROV控制系统具有良好的实时性和可靠性，能够满足UUV回收任务的要求。结论该架构和算法对于其他移动机器人、无人机、仿生机器人的控制系统开发均具有参考意义。
- 腹部作业型水下遥控机器人 /
- 控制系统 /
- PC104 /
- H_∞鲁棒控制
Abstract: In order to satisfy all the requirements of Unmanned Underwater Vehicle (UUV) recovery tasks, a new type of abdominal operating Remote Operated Vehicle (ROV) was developed. The abdominal operating ROV is different from the general ROV which works by a manipulator, as it completes the docking and recovery tasks of UUVs with its abdominal operating mechanism. In this paper, the system composition and principles of the abdominal operating ROV are presented. We then propose a framework for a control system in which the integrated industrial reinforced computer acts as a surface monitor unit, while the PC104 embedded industrial computer acts as the underwater master control unit and the other drive boards act as the driver unit. In addition, the dynamics model and a robust H-infinity controller for automatic orientation in the horizontal plane were designed and built. Single tests, system tests and underwater tests show that this control system has good real-time performance and reliability, and it can complete the recovery task of a UUV. The presented structure and algorithm could have reference significance to the control system development of mobile robots, drones, and biomimetic robot.
- abdominal operating ROV /
- control system /
- PC104 /
- H-infinity robust control

HTML全文

图 1 腹部作业型ROV系统总体结构

Figure 1. The system structure of abdominal operating ROV

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 腹部作业型ROV本体设备布置

Figure 2. The devices layout of abdominal operating ROV

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 对接过程

Figure 3. During the docking task

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 对接完成

Figure 4. Complete the docking task

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 腹部作业型ROV控制系统结构图

Figure 5. The control system structure of the abdominal ROV

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 水面集控台组成框图

Figure 6. The constitution diagram of surface monitor

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 水面监控软件运行界面图

Figure 7. The running interface of surface monitor software

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 水面监控软件模块组成框图

Figure 8. The constitution diagram of surface software

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 耐压控制舱实物图

Figure 9. The compressive cabin

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 水下控制器硬件结构图

Figure 10. The diagram of underwater controller hardware

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 水下主控软件模块组成图

Figure 11. The diagram of underwater master controller software

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 腹部作业型ROV定向控制框图

Figure 12. The diagram of automatic orientation

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 13 混合灵敏度H_∞控制框图

Figure 13. The diagram of mixed sensitivity H_∞ control

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 14 标称模型下阶跃响应对比

Figure 14. Comparison of the step response in nominal model

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 15 I_z增大20%的阶跃响应对比

Figure 15. Comparison of the step response when I_z increase 20%

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 16 I_z增大20%，T减小20%的阶跃响应对比

Figure 16. Comparison of the step response when I_z increase 20% and T decrease 20%

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 17 I_z增大20%，T减小20%，1 kn海流下的阶跃响应对比

Figure 17. Comparison of the step response when I_z increase 20% and T decrease 20% and the current is 1 kn

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 18 对接过程

Figure 18. The ROV and UUV in docking

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 19 对接成功后起吊出水

Figure 19. Lift the ROV and UUV after the docking

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 20 自动定向试验结果

Figure 20. Result of the auto-heading test

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 腹部作业型ROV总体技术指标

Table 1. The general technical specification

指标	内容
尺寸/mm	700×550×425
重量（空气中）/kg	53.8
工作深度/m	300
电源	直流稳压电源
脐带缆	直径20 mm，破断力441 kN
推进器	2台主推进器，1台侧推进器，2台垂推进器
作业设备	1台电动推杆
导航设备	1台航姿仪（集成磁罗经、深度计、倾角仪）
观通设备	2盏卤素灯，1台含云台彩色摄像机

下载: 导出CSV

表 2 通信周期及波特率

Table 2. The communication cycle and baud rate

通信周期/ms	航姿仪/(bifs^-1)	主、侧推驱动板/(bifs^-1)	水面监控机/(bifs^-1)
200	19 200	9 600	9 600
100	19 200	38 400	38 400

下载: 导出CSV

表 3 对接及回收试验记录

Table 3. Docking and recovery test

模拟流速/kn	初始艏向夹角 (°)	试验次数	成功次数	成功率/%
0	30	10	10	100
0	60	10	10	100
0	90	10	9	90
1	30	10	10	100
1	60	10	8	80
1	90	10	9	90

下载: 导出CSV

参考文献(13)

[1]	徐鹏飞, 马利斌, 王磊."海筝Ⅱ型"遥控自治水下机器人的研制与应用[J].中国科技成果, 2012(20):36-39. XU P F, MA L B, WANG L. Development and applica-tion of"SeaKite-Ⅱ"autonomous and remotely-operat-ed vehicle[J]. China Science and Technology Achieve-ments, 2012(20):36-39(in Chinese).
[2]	王瑶, 徐鹏飞, 胡震."海筝Ⅱ型"遥控自治水下机器人的运动控制研究[J].舰船电子工程, 2014, 34(3):56-60. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JCGC201403016.htm WANG Y, XU P F, HU Z. Motion control of"Seak-ite-Ⅱ "autonomous and remotely-operated vehicle[J]. Ship Electronic Engineering, 2014, 34(3):56-60(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JCGC201403016.htm
[3]	张艳艳.自主式水下航行器的概念及技术发展--从"蓝鳍金枪鱼-21"谈起[J].中国科技术语, 2014(增刊1):131-133. ZHANG Y Y. The concept and technology development of autonomous underwater vehicle technology-taking "Bluefin-21"as an example[J]. China Terminology, 2014(Supp 1):131-133(in Chinese).
[4]	PYLE D, GRANGER R, GEOGHEGAN B, et al. Le-veraging a large UUV platform with a docking station to enable forward basing and persistence for light weight AUVs[C]//Proceedings of 2012 Oceans. Hampton Roads, VA:IEEE, 2012:1-8.
[5]	HARDY T, BARLOW G. Unmanned Underwater Vehi-cle (UUV) deployment and retrieval considerations for submarines[C]//International Naval Engineering Con-ference and Exhibition 2008. Hamburg, Germany:INEC, 2008.
[6]	RENILSON M. A simplified concept for recovering a UUV to a submarine[J]. Underwater Technology, 2014, 32(3):193-197. doi: 10.3723/ut.32.193
[7]	戴学丰, 边信黔, 施小成.多臂水下机器人对接作业控制[J].哈尔滨工程大学学报, 2001, 22(6):9-11. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HEBG200106002.htm DAI X F, BIAN X Q, SHI X C. Control for mating op-eration of multi-arm underwater vehicle[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2001, 22(6):9-11(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HEBG200106002.htm
[8]	于开洋, 徐凤安, 王棣棠, 等."探索者"号无缆水下机器人水下回收系统的设计与应用[J].机器人, 1996, 18(3):179-184. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JQRR199603008.htm YU K Y, XU F A, WANG D T, et al. Design and ap-plication of the underwater recovering system for the untethered underwater vehicle"Explorer"[J]. Robot, 1996, 18(3):179-184(in Chinese). http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JQRR199603008.htm
[9]	李翔宇, 刘卫东, 岳丽娜. PC104与VxWorks在深海ROV控制系统的应用[C]//2013中国西部声学学术交流会论文集 (下). 敦煌: 四川省声学学会, 2013. LI X Y, LIU W D, YUE L N. Application of PC104 and VxWorks in deep-sea ROV control system[C]//Acoustics Academic Exchange Conference of Western China. Dunhuang:Acoustics Society of Sichuan Prov-ince, 2013(in Chinese).
[10]	杨新平. 遥控自治水下机器人控制技术研究[D]. 北京: 中国舰船研究院, 2012. YANG X P. Control technology research of autono-mous and remotely-operated vehicle[D]. Beijing:China Ship Research and Development Academy, 2012(in Chinese).
[11]	王宇鑫. "海螺一型" ROV控制系统结构与艏向控制技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012. WANG Y X. Research on the control system structure and heading control technique of"Hello I"ROV[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2012(in Chinese).
[12]	翟宇毅. 超小型水下机器人的设计和控制[D]. 上海: 上海大学, 2007. ZHAI Y Y. Structure and control of subminiature un-derwater robot[D]. Shanghai:Shanghai University, 2007(in Chinese).
[13]	赵慧, 姜洪洲, 韩俊伟, 等. H_∞混合灵敏度控制在液压伺服系统中的应用[J].中国机械工程, 2002, 13(3):195-197. ZHAO H, JIANG H Z, HAI J W, et al. Application of H_∞ mixed sensitivity control in hydraulic servo sys-tem[J]. China Mechanical Engineering, 2012, 13(3):195-197(in Chinese).