劉 鑫，魏延輝，高延濱

(哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱 150001)

ROV運動控制技術(shù)綜述

劉 鑫，魏延輝，高延濱

(哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱 150001)

水下機器人(ROV)是人類在海洋探索和開發(fā)中的重要工具，而運動控制技術(shù)是ROV的關(guān)鍵技術(shù)之一，是各國研究機構(gòu)的研究熱點。綜述了國內(nèi)外主要的ROV運動控制技術(shù)，總結(jié)了ROV運動控制技術(shù)的主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)，并對ROV運動控制技術(shù)進行了展望。

水下機器人;運動控制;關(guān)鍵技術(shù)

海洋蘊藏著巨大的經(jīng)濟潛力，受到世界各國的廣泛關(guān)注。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，近年來人們逐漸把注意力投向作為海洋資源開發(fā)工具的各種海洋機器人的研發(fā)中。智能海洋機器人由于在實際作業(yè)中無須人工干預，可以自主運行于難以接近和無法預知的海洋環(huán)境中，完成自主導航、自主避障和自主作業(yè)等任務(wù)，因此無論在軍事還是國民經(jīng)濟中都有無可比擬的優(yōu)越性［1］。

水下機器人(remote operated vehicle，ROV)是海洋機器人的一種，能通過人的遠程操控代替人在深海環(huán)境進行作業(yè)，是一種人工智能系統(tǒng)，其自身具有很強的自主性、記憶性，還可根據(jù)具體的實際情況做出相應(yīng)的改變［2］。操作人員只需將任務(wù)下達給ROV，實際操作全由ROV自主完成。

ROV作為一種人工智能系統(tǒng)，具有智能形式的運動控制技術(shù)就成為ROV技術(shù)中最為關(guān)鍵和重要的技術(shù)。只有解決了ROV自身的運動控制問題，才能保障機器人按照預定的指令和規(guī)劃完成工作。因此，研究ROV的運動控制具有重要意義。

1 ROV運動控制技術(shù)

1.1 ROV運動控制技術(shù)的發(fā)展歷程

ROV作為目前應(yīng)用最為廣泛的一類海洋機器人，其運動控制技術(shù)的發(fā)展與科學技術(shù)的進步緊密相連。縱觀ROV的發(fā)展歷史可以看出，ROV的運動控制技術(shù)的發(fā)展大致可以分為如下3個階段:

1)模擬控制技術(shù)階段。這個階段為水下機器人發(fā)展的初期，大約從20世紀50年代到70年代初，處于模擬控制技術(shù)階段。在這個階段，ROV的運動控制系統(tǒng)大量采用模擬電子技術(shù)，控制系統(tǒng)由大量的分立元件組成。因此，電子設(shè)備體積龐大，元件數(shù)量多、功耗大、可靠性差［3］。

2)模擬－數(shù)字控制技術(shù)階段。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，20世紀70年代開始出現(xiàn)采用模擬－數(shù)字混合電子技術(shù)的水下機器人運動控制系統(tǒng)，這其中還包括采用單片機的控制系統(tǒng)。數(shù)字技術(shù)和單片機的應(yīng)用不僅使控制設(shè)備的體積縮小，而且使得ROV的性能和可靠性得到了提高［2－3］。

3)計算機控制技術(shù)階段。從20世紀80年代中期以后，電子計算機技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水下機器人運動控制領(lǐng)域，所以將這一階段稱為計算機控制技術(shù)階段。在這一階段，隨著計算機的普遍應(yīng)用和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛躍發(fā)展，電子元件的集成度越來越高，電子設(shè)備所占的空間大大減小［2－4］。計算機技術(shù)在 ROV中的應(yīng)用促使ROV運動控制技術(shù)發(fā)生了巨大的變化，新一代的采用更新型技術(shù)的ROV已經(jīng)呈現(xiàn)在我們面前。

1.2 國內(nèi)外典型ROV及運動控制技術(shù)

國外對于ROV的研究起步比國內(nèi)早，其研制始于20世紀50年代［4］。1960年，美國率先研制出世界上第一臺 ROV——“CURV 1”，如圖 1所示。

圖1 世界上第一臺ROV

1966年，“CRUV 1”與載人潛水器配合，在西班牙外海海底找到了一顆失落的氫彈，這在當時引起了極大的轟動。從此，ROV的研究得到了世界各國的重視［4］。在20世紀70和80年代，ROV進入了商業(yè)化發(fā)展階段。在1975年，Hydro Production公司研發(fā)了第一臺商業(yè)化的 ROV——“RCV－125”，其主要任務(wù)是進行水下管道的連接和水下鉆井工作［5］。隨后很長的一段時間，ROV主要用于軍事方面，主要用于探測和銷毀水雷。比較先進的有法國的“PAP104”、意大利的“PLUTO－plus”、德國的“企鵝－B3”、瑞典的“海鷹”和加拿大的“開路先鋒”等［6］。

1982年，美國研制成功的“MAX Rover”ROV被正式應(yīng)用于油田開發(fā)。這種ROV經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)成為世界上最先進的全電力工作級ROV，潛深達3 000 m，安裝有水下TV、聲納、5自由度機械手、自動導航和定位設(shè)備等，還擁有4個均衡控制的高速液壓推進器，每個推進器提供113 kg的推力［7］。在1985年，Jung等［8］將滑?？刂破饔糜谒吕|控機器人的軌跡控制，并在此基礎(chǔ)上深入研究了水動力導數(shù)的相關(guān)特性。1990年，Gewonder等［9］提出一種多變量自適應(yīng)控制器，用于解決ROV在自動控制時運動模型不確定的問題。同年，日本成功研制了“KAIKO”(海溝號)ROV (圖2)，該機器人長3 m，重5.4 t，可以到達海洋的最深點——10 911.4 m的馬里亞納海溝。

“海溝號”的2個潛器系統(tǒng)發(fā)射器通過12 000 m的光纖與母船相連，再通過250 m的二級電纜與潛器相連。該潛器可以在半徑200 m的范圍內(nèi)自由運動。“海溝號”有3個任務(wù)模式:一是通過拖曳系統(tǒng)調(diào)查6 500 m的海床;二是將海床的研究拓展到整個海洋;三是為 SHINKAI6500提供救援［10］。

圖2 日本“KAIKO”(海溝號)ROV

1992年，Murong等［11］在對ROV進行深入的運動學分析的基礎(chǔ)上，提出了一種非線性4自由度的跟蹤控制方法，包括對水下機器人舷向、縱傾、橫傾和縱向位置等4個方面的控制。在1994年，Derbtoy等研究了一種基于14個模糊規(guī)則的模糊控制器，并將其成功應(yīng)用于水下纜控機器人的深度控制方面。同年，Mutu等［12］針對欠驅(qū)動的ROV開展速度和位置控制研究，通過試驗驗證了離線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、在線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、基于非回歸的自適應(yīng)控制器和模糊控制器等4種不依賴模型的運動控制系統(tǒng)。1998年，Yiss等［13］提出了自主神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，將其成功應(yīng)用于舷向控制，并通過仿真試驗驗證了該方法的有效性。

國內(nèi)對于水下機器人的研究起步于20世紀70年代末，相比歐美國家和日本處于落后水平。目前，我國比較先進的ROV是“海龍?zhí)枴鄙詈C器人，它由上海交通大學的科研團隊歷經(jīng)9年完成。ROV一般由臍帶纜連接，但是海洋是變幻莫測的，風浪常常會使臍帶纜斷裂，這樣耗資巨大的ROV就會沉入海底?！昂｝?zhí)枴痹谇叭说幕A(chǔ)上解決了臍帶纜斷裂的問題，這一技術(shù)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)［14］。圖3為我國目前最先進的ROV——“海龍?zhí)枴薄?/p>

在“海龍?zhí)枴彼翿OV研制成功的基礎(chǔ)上，上海交通大學水下工程研究所就水下ROV的運動控制技術(shù)開展了如下工作:

1)對ROV動力定位系統(tǒng)(DP)的控制時序和事件觸發(fā)邏輯進行了分析和設(shè)計。解決了包含有核心控制策略算法的動力定位系統(tǒng)與ROV自身水下計算機(下位機)之間的控制時序的匹配問題，以及事件觸發(fā)邏輯關(guān)系的相互響應(yīng)問題。此外，采用線程同步和時鐘校驗的方法以確保動力定位系統(tǒng)對通訊數(shù)據(jù)包的實時跟蹤處理。

2)在“海龍?zhí)枴笨刂葡到y(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展開發(fā)了一套具有虛擬監(jiān)控(VMS)功能和動力定位(DP)功能的軟件。此軟件不僅能仿真ROV的水下作業(yè)過程，并且能實時對ROV的水下作業(yè)進行控制。

3)基于軟件平臺Multigen Creator和Vega開發(fā)深海潛水器近海底作業(yè)視景仿真系統(tǒng)。通過運用Vega視景仿真軟件平臺所提供的碰撞矢量方法這一先進的仿真技術(shù)，模擬安裝在潛水器實體上各種聲納或傳感器的功能，用以實現(xiàn)潛水器在深海環(huán)境下對其作業(yè)路徑上障礙物的規(guī)避及對其作業(yè)路徑起伏的及早預知。

2002年，中科院沈陽自動化研究所研制成功中國第一臺能夠進行水下作業(yè)的 ROV——“CISTAR”。隨后幾年，又相繼地研制出“海人一號”和“金魚三號”。沈陽自動化研究所主要在以下3方面取得進展:在虛擬三維模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上深入研究了水下ROV避障問題;將三維障礙物描述、避障聲納布置、避障聲納探測區(qū)域和運動控制統(tǒng)一起來，建立了三維水下障礙物模型，并針對不同障礙物類型采取相應(yīng)的避障措施;提出了一種基于水平面模糊避障規(guī)劃和垂直面模糊避障規(guī)劃相結(jié)合的三維實時避障規(guī)劃方法。

哈爾濱工程大學在水下ROV運動控制方面也有著突出的貢獻。劉學敏教授［15］提出了一種基于PD和模糊控制的S面控制方法，并且通過試驗驗證了此方法的可行性。王麗榮等［16－17］在 S面控制方法的基礎(chǔ)上提出了將sigmoid函數(shù)開方得到亞S面控制方法，用于提高控制的響應(yīng)速度。甘永等［18］提出了一種并行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于解決傳感器在短時間內(nèi)無數(shù)據(jù)情況下的控制問題。

表1和表2分別列舉了一些國內(nèi)外典型的ROV參數(shù)。

表1 國外ROV參數(shù)

表2 國內(nèi)ROV參數(shù)

目前，我國正自主研發(fā)首個載人7 000 m ROV，將于2014年年底進行下水試驗。

1.3 ROV運動控制技術(shù)的研究內(nèi)容

在ROV的運動控制方面有兩個主要的研究方向:運動控制系統(tǒng)的基本回路和航行控制的閉環(huán)控制算法［17］。ROV在運動狀態(tài)下能夠保證自身的穩(wěn)定是其進行水下作業(yè)的前提，而能夠精確控制ROV的運動軌跡才能保證水下機器人按照人們的意愿去工作。

1)運動控制系統(tǒng)的基本回路。為使問題簡單化并且獲得良好的控制效果，大多數(shù)ROV采用單回路閉環(huán)控制，如深度回路(定深控制)、高度回路(定高控制)、艏向角回路(定向控制)、距離回路(自動定距控制)、位置回路(自動定位控制)、速度回路(恒定航速控制)等。這里需要說明的是，ROV在實驗和應(yīng)用中，上述的回路會存在相互的影響，如自由度的耦合、控制時其他回路的干擾等，這些影響與執(zhí)行機構(gòu)的種類、執(zhí)行機構(gòu)的布置、機器人的運動狀態(tài)等諸多因素相關(guān)。

2)航行控制的閉環(huán)控制算法(軌跡控制)。在控制的基本回路的基礎(chǔ)上，還需要一定的控制算法才能實現(xiàn)對ROV運動的精確控制。常用的控制算法有PID控制、模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等［19］。

單獨的某種控制算法都會有其局限性，國內(nèi)外的研究人員在分析上述控制算法的基礎(chǔ)上，為發(fā)揮不同算法的優(yōu)點，正嘗試將上述控制算法相結(jié)合以形成新的控制算法。

2 ROV運動控制的關(guān)鍵技術(shù)

總的來說，水下ROV的運動控制應(yīng)主要解決如下幾個問題:

1)運動控制體系和運動控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這個問題的解決需要與ROV實際工作特點和工作方式相結(jié)合。運動控制體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要從穩(wěn)定性、準確性和快速性3個方面考慮。ROV實際工作環(huán)境的不同對這3個參數(shù)的要求也不同。

2)ROV在水下運動時自身的穩(wěn)定控制技術(shù)。在這個方面對穩(wěn)定性和快速性的要求比較高。ROV是一個動態(tài)的作業(yè)工具，在其處于運動狀態(tài)時，自身的穩(wěn)定控制能力是其工作的基礎(chǔ)。在運動穩(wěn)定性控制方面，著重需要考慮的是ROV在遇到突發(fā)的海流沖擊情況下如何快速恢復自身的穩(wěn)定狀態(tài)。

3)ROV在行進間的軌跡控制和避障技術(shù)。精確的軌跡控制是ROV為人類服務(wù)的基礎(chǔ)。而在預先的軌跡上遇到突發(fā)障礙物的情況下，如何快速地調(diào)整運動軌跡完成預先設(shè)定的任務(wù)是研究的重點。在這個方面對ROV運動控制的快速性和準確性要求比較高。

目前，國內(nèi)針對上述ROV運動控制的比較典型的研究成果如下:

1)基于信息流的ICE基礎(chǔ)運動控制方法。這是一種針對信息流依次經(jīng)過水下機器人的信息層(information)、控制層(control)、執(zhí)行層(execute)所建立的一種水下纜控機器人ICE基礎(chǔ)運動控制體系結(jié)構(gòu)，是一個完善的基礎(chǔ)運動控制體系，能為高層智能規(guī)劃系統(tǒng)提供所需的信息，獲得精確的運動控制能力［20］。

在ICE基礎(chǔ)運動的基礎(chǔ)上提出一種基于三點滾動的野點剔除法，能實現(xiàn)對采樣頻率較高的傳感器數(shù)據(jù)的野點剔除。該方法解決了光纖陀螺數(shù)據(jù)由野點數(shù)據(jù)引起的積分誤差問題，使光纖陀螺積分測得的艏向角滿足了ROV的設(shè)計要求［20］。同時將定向、定深及懸停的基本控制回路及控制策略應(yīng)用到了水下機器人的控制上，通過對實驗數(shù)據(jù)曲線的分析，驗證了定深、定向及懸停的基本控制回路及控制策略的可行性。

2)S面控制器。早在2001年就已經(jīng)有人提出工程中比較實用的S面控制器。該控制器結(jié)合了PD控制的簡單結(jié)構(gòu)和模糊控制的基本思想。它不僅可以簡化控制器的設(shè)計環(huán)節(jié)，而且可以有效減少控制器的調(diào)節(jié)參數(shù)，最終保證水下機器人非線性控制的控制效果。但是這個控制器不具備自學習功能［21］。為了給S面控制器增加自學習的能力，使得控制器具有更好的性能，有科研人員在S面控制器中引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學習功能，借鑒神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差反向傳播算法來改善水下機器人控制性能。而后李燁等［22］將遺傳算法引入到S面控制器中，利用遺傳算法優(yōu)化S面的控制參數(shù)，從而降低控制器設(shè)計過程中存在的主觀影響。

3 ROV運動控制技術(shù)的發(fā)展前景

1)向高穩(wěn)定性方向發(fā)展，抗干擾能力不斷加強。ROV技術(shù)經(jīng)過多年的研究，各項技術(shù)正在逐步走向成熟。ROV技術(shù)的發(fā)展將致力于提高觀察能力和頂流作業(yè)能力，加大數(shù)據(jù)處理容量，提高操作控制水平和操縱性能，完善人機交互界面，使其更加實用可靠。

2)在穩(wěn)定性的前提下，不斷提高ROV水下工作的效率(快速性和準確性)。未來各國之間對海洋資源的爭奪必將是激烈的。在相同的工作時間內(nèi)，盡可能提高ROV水下工作的效率，是對運動控制方法的一大考驗［23］。

3)盡可能提高深海的穩(wěn)定工作時間。地球上97%的海洋深度在6 000 m以上，稱之為深海。隨著海洋油氣等資源的開發(fā)走向深海，必然要求ROV向更大作業(yè)深度發(fā)展。如今，世界各國都在加大力度研制潛深超過6 000 m的深水ROV。但目前世界上能夠在深海保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)的ROV的工作時間不超過5 h。所以，真正提高ROV在深海的穩(wěn)定工作時間是未來的一大控制難題。

4)對新概念ROV的有效控制［24］。多媒體技術(shù)、臨場感技術(shù)及虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新型技術(shù)在ROV中的應(yīng)用將產(chǎn)生新一代全新概念的ROV。如何有效控制新概念的ROV，使其更好地為人類服務(wù)，也是今后的技術(shù)難點。

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(責任編輯 劉 舸)

Review of ROV Motion Control Technology

LIU Xin，WEI Yan－h(huán)ui，GAO Yan－bin
(School of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China)

Remote operated vehicle(ROV)is an important tool for human in ocean exploration and development.Motion control technology is one of the key technology of the ROV and becomes a hotspot of research.This paper describes the main ROV motion control technology at home and abroad，summarizes the ROV motion control technology，the main research contents and key technologies，and discusses the research prospect of ROV motion control technology.

remote operated vehicle;motion control;key technology

TP24

A

1674－8425(2014)07－0080－06

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.07.016

2013－12－28

國家自然科學基金資助項目 (51205074);高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20112304120007);黑龍江省教育廳博士后研究人員科研啟動基金資助項目(LBH－Q10129);哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金資助項目(RC2012QN009037);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(HEUCFR1011)

劉鑫(1990—)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要從事水下ROV的運動控制方法及水下ROV運動避障問題研究。

劉鑫，魏延輝，高延濱.ROV運動控制技術(shù)綜述［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(7):80－85.

format:LIU Xin，WEI Yan－h(huán)ui，GAO Yan－bin.Review of ROV Motion Control Technology［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(7):80－85.