孫英順（杭州電子科技大學(xué),杭州　310018）

?

海底電纜智能巡檢ROV分系統(tǒng)設(shè)計方案（控制部分）

孫英順
（杭州電子科技大學(xué),杭州310018）

摘 要：海底電纜智能巡檢ROV應(yīng)用于近海復(fù)雜海流環(huán)境，有大量的環(huán)境碰撞沖擊作業(yè)，這就需要能夠?qū)ζ溥M(jìn)行高效的機(jī)器人運(yùn)動控制來完成電纜的智能導(dǎo)航追蹤。同時，還需要搭載大量傳感器，包括水下攝像機(jī)及云臺、圖像聲吶、姿態(tài)儀、羅經(jīng)、超短基線、海纜檢測的特種設(shè)備以及其他輔助作業(yè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：海底電纜；巡檢；系統(tǒng)設(shè)計

1　總體設(shè)計思路

1.1研究內(nèi)容與特點

ROV控制系統(tǒng)控制對象較多且復(fù)雜，接口類型多，而且需要保證通信的實時性和高速率。另一方面，需要留出接口以便于接入特種設(shè)備和未來擴(kuò)展。若采用傳統(tǒng)的單片機(jī)或者PC104等方案，會導(dǎo)致接口不足、兼容性差、開發(fā)周期長、擴(kuò)展能力不足等缺點。故這里需要引入工業(yè)控制上的“總線”設(shè)計思路。

根據(jù)這些目標(biāo)內(nèi)容，控制系統(tǒng)方案需要有以下必要特點：

（1）實時性。主要保證運(yùn)動控制的確定性，提高對ROV的控制效率；（2）高速性。能夠高速完成對水下數(shù)據(jù)的傳輸，提高水下監(jiān)測質(zhì)量；（3）通用性。能夠提供標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展接口，以方便其他設(shè)備接入。比如不同的海纜巡檢設(shè)備以及其他輔助作業(yè)系統(tǒng)。

對比目前市面上常見的工業(yè)總線，綜合考慮下，我們選擇EtherCAT作為此次設(shè)計的總線類型。它具有以下特點：

（1）實時性；（2）高速性；（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)好。

2　硬件系統(tǒng)設(shè)計與選型

EtherCAT為德國Beckhoff公司首先提出并開發(fā)，開發(fā)初期優(yōu)先選擇Beckhoff公司產(chǎn)品，完成樣機(jī)開發(fā)。

根據(jù)設(shè)計思路，為本次ROV水下主控器選型為Beckhoff的CX5000系列。一方面，CX5000具備2個EtherCAT 100M高速實時以太網(wǎng)接口，另一方面，CX5000系列非常小巧，價格與西門子S7-400相當(dāng)。在兼顧性能、體積、價格等綜合因素下，CX5000系列為此次方案的最優(yōu)選擇。

水下端配套EtherCAT端子模塊。ROV水下復(fù)雜的工作環(huán)境配合了多種傳感器，如深度計、高度計、姿態(tài)傳感器、超短基線、溫度計、圖像聲吶、漏水檢測等等。不同的傳感器具備不同的供電方案和通信接口，需要PLC選型后相互配合，設(shè)計示意圖如圖1。

3　軟件系統(tǒng)設(shè)計

海纜巡檢ROV的軟件體系主要分為水面甲板實時操控單元和水下PLC主控單元。甲板單元主要用于收集和處理水面與水下傳感器的信息，同時通過一定算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合，包括剔除干擾數(shù)據(jù)。同時，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可視化信息予以呈現(xiàn)，如3D姿態(tài)、視頻圖像以及各個狀態(tài)信息。水下PLC主控單元主要用于將水面執(zhí)行指令轉(zhuǎn)化為ROV動作，如水下推進(jìn)器運(yùn)動、水下燈亮滅、機(jī)械手運(yùn)動等。

3.1ROV主控軟件軟件程序設(shè)計架構(gòu)

本次ROV軟件將采用C/S架構(gòu)下的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：

（1）表示層/UI層：用戶交互層，根據(jù)用戶需求設(shè)計軟件界面。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）：是數(shù)據(jù)訪問和用戶交互接口的橋梁。

（3）數(shù)據(jù)訪問層（DAL）：與數(shù)據(jù)庫相連，根據(jù)指令獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

本次的Windows軟件環(huán)境為.NET Framwork 3.0，開發(fā)語言將采用CSharp(C#)。軟件采用三層C/S架構(gòu)可以顯著的降低層和層之間的互相依賴，有利于標(biāo)準(zhǔn)化的實現(xiàn)，方便后期修改和維護(hù)。同時，也有利于層之間的邏輯復(fù)用。

UI層是用戶交互層，直接與ROV操作人員進(jìn)行人機(jī)互動，故要獲得良好的用戶體驗，最好設(shè)計針對一般工程用戶的交互邏輯。本次ROV軟件系統(tǒng)設(shè)計中，UI層采用了Winform的編程模式，并且根據(jù)用戶交互層操作順暢和界面美觀的要求，結(jié)合工業(yè)級圖像儀表控件實現(xiàn)了ROV主操控軟件的用戶界面。

本次軟件系統(tǒng)要求顯示ROV的各個傳感器、推進(jìn)器、耐壓艙等監(jiān)控狀態(tài)和外接操作盒的操作狀態(tài)。用戶交互層的用戶界面主要可以分為以下幾個部分：

（1）軟件初始化與傳感器配置區(qū)，初始化軟件狀態(tài)

（2）推進(jìn)器控制區(qū)，負(fù)責(zé)控制推進(jìn)器使能狀態(tài)

（3）ROV運(yùn)動監(jiān)控區(qū)，負(fù)責(zé)監(jiān)控ROV推進(jìn)去及整體運(yùn)動狀態(tài)

（4）燈與攝像機(jī)控制區(qū)，負(fù)責(zé)燈光與攝像機(jī)的控制。

（5）云臺控制區(qū)，負(fù)責(zé)云臺的運(yùn)動控制

（6）高度計檢測區(qū)，用于顯示ROV離底高度

（7）深度計檢測區(qū)，用于顯示ROV離水面高度

（8）溫度檢測區(qū)，用于檢測電子艙內(nèi)溫度

（9）航向監(jiān)控區(qū)，用于監(jiān)視ROV當(dāng)前運(yùn)動航向

（10）液壓控制區(qū)，包括液壓泵，機(jī)械關(guān)節(jié)狀態(tài)等，

（11）軟件調(diào)試區(qū)，主要用于軟件Demo階段的調(diào)試，后期將取消而ROV的業(yè)務(wù)邏輯層則主要負(fù)責(zé)將接收的PC通信接口數(shù)據(jù)進(jìn)行分類解析，比如本次ROV中使用的RS232/RS485串口數(shù)據(jù)，Ethernet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，USB接口數(shù)據(jù)等等，并根據(jù)解析的內(nèi)容設(shè)置相關(guān)的代碼變量和標(biāo)志位，同時對重要的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

圖1針對ROV的某一業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行舉例說明。

數(shù)據(jù)層（DAL）即數(shù)據(jù)訪問層，用于訪問所需要的數(shù)據(jù)或者保存ROV相關(guān)的狀態(tài)和操作數(shù)據(jù)。ROV的通信中涉及網(wǎng)絡(luò)接口，而C#同時作為一種網(wǎng)絡(luò)編程語言對.NET編程提供了非常全面的支持。

作者簡介：孫英順（1989-），男，河北邢臺人，研究方向：海洋設(shè)備。

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.183