郭昆鵬，趙銀江，湯家源，尹新彥

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610213；2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海519088）

近年來，環(huán)境惡化及持續(xù)強(qiáng)降雨是導(dǎo)致城市發(fā)生內(nèi)澇的主要原因，因此迫切需要增加城市排水管道容量。另外，城市居民生活水平提高，城市工業(yè)園區(qū)發(fā)展迅速，生活及工業(yè)廢液排放量增大，多年來管道內(nèi)的淤泥聚集，以及泥沙沉降使得主要排水干道的排水能力明顯下降，是導(dǎo)致城市排水管道堵塞的主要原因。但是從根本上講是因?yàn)槌鞘信潘艿琅盼勰芰τ邢?。為了解決城市的快速發(fā)展與滯后的基礎(chǔ)建設(shè)的矛盾，我國已經(jīng)開始啟動排水管道整改項(xiàng)目的試點(diǎn)工作。為了解決這一問題，根本舉措是改造城市排水管道，但是我國城市人均占有排水管道長度0.55m，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家人均4m的水平，采取這種措施需要大量資金及建設(shè)周期冗長，難于即刻緩解大量城市雨季看海的窘態(tài)。因此，排水管道的清理工作對緩解目前狀態(tài)非常重要。

目前，我國管道及暗涵清理工作依舊依靠人工清理為主要的清理方式，即人工下井穿纜或疏通。而城市排水管道和暗涵大多數(shù)位于人口以及建筑物密集區(qū)域，傳統(tǒng)人工清理作業(yè)占地面積大，容易造成污泥灑落地面，污染環(huán)境，臭味飄逸，給周邊居民生活帶來不便，同時影響市容風(fēng)貌；再者傳統(tǒng)人工清淤效率低下，而且城市排水管道和涵道的內(nèi)部環(huán)境相當(dāng)惡劣，氣味難聞，可能存在大量甲烷等有毒氣體，嚴(yán)重影響一線作業(yè)人員的生命安全。水下管道清淤機(jī)器人的研究具有重要意義，所以水下管道清淤機(jī)器人的研究工作已經(jīng)開始受到研究機(jī)構(gòu)及部分高校的重視。

1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計一套水下管道清淤疏浚機(jī)器人系統(tǒng)，適應(yīng)于寬度為1~3m不等的城市排水涵道，實(shí)現(xiàn)“人不下井，路不開挖，水不斷流，泥不落地”的城市污水涵道清淤疏浚工作。管道清淤疏浚機(jī)器人采用中央承力結(jié)構(gòu)，其機(jī)器人本體采用高強(qiáng)度合金鋼材框架，搭載可拆卸的作業(yè)底盤，上方布置水下電力系統(tǒng)，水下儀器倉，水下液壓動力單元（見表1、圖1）。

表1 設(shè)計主要參數(shù)

考慮到涵道中的工作環(huán)境情況復(fù)雜多變，機(jī)器人的運(yùn)動驅(qū)動裝置為履帶系統(tǒng)，采用高耐磨、耐腐蝕的橡膠履帶，并具有防滑深凹凸花紋，增加其抓地能力，增加摩擦力避免打滑現(xiàn)象。該機(jī)器人采用減速箱液壓馬達(dá)驅(qū)動履帶系統(tǒng)?？刂朴布?qū)動電路設(shè)計、控制層電路設(shè)計，采用模糊PID控制策略實(shí)現(xiàn)了液壓馬達(dá)的驅(qū)動控制（見表2）。

圖1 水下管道清淤機(jī)器人樣機(jī)示意圖

表2 機(jī)器人搭載設(shè)備

2 驅(qū)動結(jié)構(gòu)

驅(qū)動系統(tǒng)的動力源是四驅(qū)動液壓馬達(dá)，通過推進(jìn)器控制器獨(dú)立驅(qū)動左、右側(cè)主動輪的方式，這種結(jié)構(gòu)行動靈活，具有越障能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而且左、右履帶驅(qū)動結(jié)構(gòu)參數(shù)、性能基本相同，因此在清淤機(jī)器人直行、后退、轉(zhuǎn)彎和制動時方便對機(jī)器人左右驅(qū)動分別進(jìn)行控制。在液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計中，采用了溢流閥來調(diào)整和控制工作系統(tǒng)管道的壓力，在左右驅(qū)動支路采用減壓閥配合單向閥來保證閥后的壓力。既要滿足液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動速度的控制，又要滿足左右驅(qū)動解耦控制的特性要求，以保證足夠的驅(qū)動力矩和轉(zhuǎn)速控制精準(zhǔn)度。

3 驅(qū)動控制系統(tǒng)

機(jī)器人的驅(qū)動控制系統(tǒng)分為水上控制臺和水下驅(qū)動控制兩部分組成。由于城市排水管道內(nèi)壁的鋼筋混凝土材料對無線通信信號具有吸收和屏蔽效果，為了提高機(jī)器人信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，采用臍帶纜的有纜式通信，來實(shí)現(xiàn)地面控制中心與清淤機(jī)器人本體之間的數(shù)據(jù)傳輸。信息傳輸采用1路光纖通信和1路電力載波通信通道提高系統(tǒng)的可靠性雙環(huán)自愈式光纖。

3.1 地面（水上）控制臺

采用工程計算機(jī)設(shè)計了地面控制臺，控制臺包括對清淤機(jī)器人各個環(huán)節(jié)動作執(zhí)行的控制按鈕和霍爾搖桿、觀察窗口等。控制器通過采集到的不同信號，按照通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并通過零浮力電纜發(fā)送至井下清淤機(jī)器人本體。控制臺模塊設(shè)計為兩套控制系統(tǒng)：一是手動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過地面控制臺的控制按鈕，以及霍爾搖桿等人機(jī)接口來控制清淤機(jī)器人前進(jìn)、后退、加速、減速及緊急停車，并實(shí)時顯示機(jī)器人的工況等，在機(jī)器人剛進(jìn)入工作面及遇到突發(fā)情況時可以采用該模式。二是智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由清淤機(jī)器人根據(jù)傳感器檢測，自動執(zhí)行任務(wù)，在常規(guī)任務(wù)中可以開啟該模式，降低作業(yè)難度和工作量，增強(qiáng)清淤機(jī)器人的工業(yè)推廣應(yīng)用性（見圖2）。

圖2 管道清淤疏浚機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)

3.2 水下驅(qū)動控制

清淤機(jī)器人水下推進(jìn)器驅(qū)動部分由液壓馬達(dá)驅(qū)動、傳感器檢測電路和推進(jìn)器控制等模塊組成，并可以通過軟件的方式對機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行自診斷智能控制。地面操作人員根據(jù)涵道內(nèi)機(jī)器人攝像機(jī)傳輸回來的畫面，確定作業(yè)指令和行走指令，通過線纜遠(yuǎn)程控制，控制清淤機(jī)器人在排水管道內(nèi)作業(yè)。涵道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜惡劣，淤泥聚集程度不一，而且含有各種垃圾雜物，采用履帶式行走具有爬坡、越障能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，平穩(wěn)性好。

清淤機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)是清淤作業(yè)能順利完成的關(guān)鍵，需要機(jī)器人根據(jù)管道內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，適應(yīng)管道內(nèi)的各種行走環(huán)境，采用模糊控制確定PID參數(shù)的控制算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動控制。PID控制將輸入偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，并將信號離散化進(jìn)行運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對被控對象的最優(yōu)化控制（見圖3）。

圖3 PID控制原理圖

本設(shè)計采用增量式離散PID控制算法，計算過程中只需當(dāng)前值和前兩次的值，可以避免數(shù)值累加增大計算量，增量變化較小，可以達(dá)到比較好的控制效果，其控制方程如下式：

在式（1）、式（2）中：

其中，kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)，T為采樣周期，E（kT）、E（kT-T）、E（kT-2T）為第k、k-1、k-2采樣時刻輸入的偏差值。

當(dāng)液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)接到動作指令后，開始執(zhí)行液壓馬達(dá)調(diào)速運(yùn)行控制。

4 仿真結(jié)果與分析

清淤機(jī)器人由四個液壓馬達(dá)驅(qū)動其兩側(cè)的運(yùn)動系統(tǒng)，通過改變四個馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)清淤機(jī)器人的運(yùn)動控制，因此控制機(jī)器人直線向前運(yùn)動時，由于兩側(cè)液壓馬達(dá)驅(qū)動結(jié)構(gòu)的特性，譬如減速機(jī)構(gòu)的差異與運(yùn)動過程中的干擾因素，導(dǎo)致兩側(cè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動狀態(tài)并不能保持一致。管道環(huán)境復(fù)雜多變，譬如輪子打滑、障礙物阻礙、地面泥濘不一致導(dǎo)致兩側(cè)履帶與涵道摩擦力不等，都會導(dǎo)致機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)直線向前行走的控制目標(biāo)。雖然各馬達(dá)的閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠加快控制響應(yīng)，提高控制精度，但并不能很好地保證兩側(cè)馬達(dá)的協(xié)調(diào)性及速度一致性。在仿真實(shí)驗(yàn)中，為了提高履帶機(jī)器人直線運(yùn)動性能，在兩側(cè)液壓馬達(dá)各自閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計了速度同步補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)兩個馬達(dá)的同步控制。

圖4 控制器仿真模型圖

PID控制器中設(shè)置參數(shù)的初始值為：Kp=19.5，KI=9.5，KD=2.5。采用模糊PID算法，在第5秒時加入干擾，可以得到如圖5所示結(jié)果。從結(jié)果中可以得出以下結(jié)論，采用本算法無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間比較短抗干擾性好，具有很好的穩(wěn)定性。

圖5 存在干擾時的仿真結(jié)果

由此可見，增量式模糊PID控制算法對本清淤機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果較好，初步實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制，使得機(jī)器人實(shí)現(xiàn)涵道中的運(yùn)動。

5 結(jié)束語

以上研究成果，實(shí)現(xiàn)了清淤機(jī)器人的安全穩(wěn)定運(yùn)行，在不中斷涵道正常排水前提下，快速、安全、高效地完成了城市排水涵道的清淤工作。清淤作業(yè)過程中無需作業(yè)人員進(jìn)入涵道內(nèi)，改善了一線人員的工作環(huán)境，保護(hù)了作業(yè)人員的人身安全，提高了清淤機(jī)器人的控制性能。為水下管道清淤疏浚機(jī)器人長時間安全可靠運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。