中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所 查 智 盧海洋

隨著現(xiàn)代文明的高速發(fā)展，人類對(duì)海洋資源的需求越來越大。ROV（纜控水下機(jī)器人）是集智能控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)為一體的高科技平臺(tái)，能在復(fù)雜的海洋環(huán)境中進(jìn)行水下作業(yè)，對(duì)人類開發(fā)海洋資源有著重大意義。本文根據(jù)ROV的特點(diǎn)，主要介紹以下幾點(diǎn)：基于PC104的ROV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks的ROV軟件體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、基于變結(jié)構(gòu)控制算法和多執(zhí)行結(jié)構(gòu)結(jié)合的ROV低速控位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的ROV設(shè)計(jì)方法相比，采用基于PC104的硬件架構(gòu)簡化了硬件設(shè)計(jì)工作，保證了系統(tǒng)硬件的可靠性和擴(kuò)展性；采用基于Vxworks的軟件體系架構(gòu)可以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、維護(hù)性和繼承性；采用多推進(jìn)器布局和變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)合的方式能實(shí)現(xiàn)ROV在復(fù)雜的海水環(huán)境中低速控位，為ROV水下精確作業(yè)提供保證。本文對(duì)ROV的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用有較好的參考價(jià)值。

ROV（纜控水下機(jī)器人）是一種集成了探測(cè)識(shí)別技術(shù)、通信和導(dǎo)航技術(shù)、智能控制等技術(shù)的水下無人作業(yè)平臺(tái)。ROV采用特殊線纜（內(nèi)含電力線和光纖）與水面控制端連接，實(shí)現(xiàn)了水面對(duì)水下的能源饋送和水面控制端與ROV的實(shí)時(shí)通信；操控人員通過水面控制端能實(shí)時(shí)掌握ROV工作狀態(tài)及水下目標(biāo)信息，可根據(jù)水下實(shí)際情況決定是否對(duì)目標(biāo)進(jìn)行處理；因此，ROV在海事研究、水下作業(yè)打撈等海洋事務(wù)中具有其它設(shè)備不可替代的作用。由于ROV涉及的技術(shù)較多，本文主要討論的內(nèi)容如下：ROV控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、基于Vxworks的ROV軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、基于多執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)合的ROV低速控位系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 ROV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ROV控制系統(tǒng)采用PC104嵌入式計(jì)算機(jī)，它具有如下特點(diǎn)：（1）與普通PC機(jī)100%兼容；（2）采用層疊方式，因此體積超??；（3）單+5V供電，功耗較低；（4）寬工作溫度范圍，可靠性極高。因此，PC104被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域。另外，PC104的硬件資源非常豐富，主要如下：（1）CPU頻率高達(dá)1G以上，能夠滿足各種控制場(chǎng)合；（2）自帶多路串口以及多路可編程數(shù)字I/O口，方便實(shí)現(xiàn)分布式控制；（3）自帶多路100M/1000M自適應(yīng)網(wǎng)口、USB口等；（4）通過擴(kuò)展其它板卡，可增加CAN總線、串口、模數(shù)轉(zhuǎn)換等多種硬件資源，系統(tǒng)擴(kuò)展性好。

控制系統(tǒng)是整個(gè)ROV系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)對(duì)各分布式設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)時(shí)發(fā)送控制命令給各設(shè)備，因此控制系統(tǒng)必須具備高可靠性。另外，由于設(shè)備的更新?lián)Q代和系統(tǒng)升級(jí)的需要，要求硬件系統(tǒng)具備較好的擴(kuò)展性，方便外掛各種分布式設(shè)備，而PC104總線具備良好的擴(kuò)展性，可以滿足系統(tǒng)硬件擴(kuò)展的需求。

圖1 ROV控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

ROV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于PC104架構(gòu)，采用主板、采集板、擴(kuò)展板、繼電器板和用戶底板的結(jié)構(gòu)，主板型號(hào)：LX3160，采集板：ADT680-AT，擴(kuò)展板：A3-CSD，繼電器板：IRQ4，用戶底板用于擴(kuò)展一些特殊應(yīng)用電路。ROV控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖2 漏水報(bào)警電路圖

ROV集成了多種分布式設(shè)備（傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)），控制系統(tǒng)與分布式設(shè)備之間采用數(shù)字通信，通信模式為主從方式，即ROV控制系統(tǒng)為主控制單元，各分布式設(shè)備控制器為從控制單元，主控制器根據(jù)從控制器上傳的信息作出判斷，從控制器只需執(zhí)行主控制器命令。另外，ROV中有部分信號(hào)需要通過PC104的數(shù)字端口和模擬端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，用戶底板用來實(shí)現(xiàn)將原始信號(hào)處理為PC104所需的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，包括漏水報(bào)警、模擬采集電路、開關(guān)電路等。其中漏水報(bào)警電路原理圖如圖2所示。

另外，在早期的ROV系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)與各分布式設(shè)備多采用模擬信號(hào)或串口進(jìn)行信息交互，這種方式硬件電路復(fù)雜，設(shè)備接線雜亂，當(dāng)ROV中分布式設(shè)備眾多時(shí)，不利于ROV的功能擴(kuò)展和實(shí)現(xiàn)分布式組網(wǎng)。

采用CAN總線組網(wǎng)通信，可以有效克服上述問題，CAN通信有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）CAN總線方便外掛多個(gè)分布式設(shè)備，且CAN總線自帶的軟件通信仲裁機(jī)制使CAN總線方便實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；（2）硬件設(shè)計(jì)簡化，電氣接線簡單；（3）CAN總線應(yīng)用成熟，可靠性高。

2 基于Vxworks的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

ROV控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Vxworks，開發(fā)環(huán)境為WindRiver workbench 3.0。為了將復(fù)雜的系統(tǒng)功能分解，任務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)軟件功能劃分了多個(gè)獨(dú)立的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種功能，任務(wù)之間功能相對(duì)獨(dú)立，任務(wù)間可以通過信號(hào)量或消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)信息交互。根據(jù)ROV的使命任務(wù)，將系統(tǒng)功能按軟件層次進(jìn)行分解，最終劃分為數(shù)字量采集與控制、推進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)接收與處理、舵機(jī)數(shù)據(jù)接收與處理、深度計(jì)數(shù)據(jù)接收與處理、北斗定位數(shù)據(jù)接收與處理、組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收與處理、航行控制、上下位機(jī)通信、應(yīng)急保護(hù)等任務(wù)。根據(jù)ROV控制的實(shí)際情況，將上述任務(wù)根據(jù)優(yōu)先等級(jí)進(jìn)行排序，最終確定應(yīng)急保護(hù)任務(wù)為最高優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)開機(jī)后，軟件自動(dòng)運(yùn)行，在主任務(wù)中啟動(dòng)其它任務(wù)。ROV控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖3所示。

任務(wù)創(chuàng)建代碼：

圖3 ROV控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

Vxworks中的任務(wù)調(diào)度機(jī)制為基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度模式。當(dāng)一個(gè)任務(wù)在規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)沒有執(zhí)行完畢，如果另外一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，則原來正在進(jìn)行的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，新任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，直到下一個(gè)時(shí)間片沒有更高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)才可被執(zhí)行。這種基于優(yōu)先級(jí)的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度模式使軟件具備較好的實(shí)時(shí)性。

3 ROV低速控位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)布局

ROV在復(fù)雜的海洋環(huán)境中作業(yè)時(shí)，有時(shí)需要在水下指定位置進(jìn)行低速控位，要使ROV具備這種功能，必須通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。為此，在ROV后方左、右兩側(cè)各布置一套水平推進(jìn)器，在ROV中部左右兩側(cè)各布置一套垂向推進(jìn)器，在ROV尾部左右兩側(cè)布置一套水平舵機(jī)。其中，水平推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)ROV在水中的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向；垂向推進(jìn)器用于控制ROV的上浮和下潛；水平舵機(jī)和垂向推進(jìn)器一起用于控制ROV在較高速度航行時(shí)的上浮和下潛，水平舵機(jī)在低速控位時(shí)對(duì)ROV的作用可忽略不計(jì)。

3.2 變結(jié)構(gòu)控制算法

當(dāng)ROV以較高速度航行時(shí)，其在水下的主要運(yùn)動(dòng)是沿縱軸的軸向運(yùn)動(dòng)和垂直于縱軸的垂向運(yùn)動(dòng)，軸向運(yùn)動(dòng)由水平推進(jìn)器完成，垂向運(yùn)動(dòng)由水平舵機(jī)和垂向推進(jìn)器合作完成。在低速控位時(shí)，由于ROV航行速度低，水平舵機(jī)的垂向作用效果差，ROV在垂向推進(jìn)器和水平推進(jìn)器的共同作用下，主要表現(xiàn)出垂向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)，由于洋流的持續(xù)作用，ROV會(huì)出現(xiàn)大攻角和大側(cè)滑角的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。綜上所述，ROV在低速控位時(shí)所受的流體動(dòng)力和高速航行時(shí)所受的流體動(dòng)力存在較大差別。因此，我們定義ROV坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)處橫向流的速度函數(shù)為：

為了得到低速控位時(shí)ROV的流體粘性位置力，將ROV沿軸向分成多個(gè)小段（運(yùn)用切片理論）。先分別得到每一小段的流體粘性位置力，然后把計(jì)算得到的各段流體粘性位置力疊加起來，即可得到整個(gè)ROV在水下的流體粘性位置力，采用數(shù)學(xué)公式表示如下：

式中，Cdy、Cdz分別為沿ROV坐標(biāo)系y軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力系數(shù)。

航行模式和低速控位模式可以統(tǒng)一為一個(gè)通用的動(dòng)力學(xué)模型，即：

由于ROV自帶的線纜對(duì)其運(yùn)動(dòng)擾動(dòng)較大，加上復(fù)雜的海洋環(huán)境影響，ROV運(yùn)動(dòng)控制難度大，是一種復(fù)雜的被控對(duì)象，在控制特性上具有高度的非線性和耦合性。因此，給ROV的運(yùn)動(dòng)控制帶了困難，尤其體現(xiàn)在海況較差、海流復(fù)雜時(shí)的低速控位工況下，其控制難度更大，常規(guī)的線性控制方法很難使其達(dá)到較好的控制效果。為了使ROV獲得較好的運(yùn)行控制效果，采用變結(jié)構(gòu)控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，使ROV能在不同的航行情況下自動(dòng)進(jìn)行控制模式切換，控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 ROV運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)圖

總結(jié)：采用基于PC104的硬件結(jié)構(gòu)，簡化了ROV的硬件設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)上，采用基于Vxworks的軟件架構(gòu)，使軟件具有良好的擴(kuò)展性和可維護(hù)性，縮短了軟件開發(fā)周期。采用多推進(jìn)器布局和變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)合的方式能實(shí)現(xiàn)ROV在復(fù)雜的海水環(huán)境中某固定點(diǎn)處低速控位，為ROV水下精確作業(yè)提供保障?？傊?，本文中的ROV能在復(fù)雜的水下環(huán)境中進(jìn)行各種復(fù)雜的探測(cè)和處理任務(wù)，是一種功能齊全的水下作業(yè)平臺(tái)，在海洋探測(cè)、情報(bào)搜集、水下目標(biāo)處理等水下作業(yè)領(lǐng)域中具有不可替代的作用。