基于變結(jié)構(gòu)控制算法的ROV低速控位系統(tǒng)設(shè)計

中國船舶集團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，人類對海洋資源的需求越來越大。ROV（纜控水下機器人）是集智能控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、目標探測和識別技術(shù)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)為一體的高科技平臺，能在復(fù)雜的海洋環(huán)境中進行水下作業(yè)，對人類開發(fā)海洋資源有著重大意義。本文根據(jù)ROV的特點，主要介紹以下幾點：基于PC104的ROV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計、基于嵌入式實時操作系統(tǒng)Vxworks的ROV軟件體系架構(gòu)設(shè)計、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。與傳統(tǒng)的ROV設(shè)計方法相比，采用基于PC104的硬件架構(gòu)簡化了硬件設(shè)計工作，保證了系統(tǒng)硬件的可靠性和擴展性；采用基于Vxworks的軟件體系架構(gòu)可以保證系統(tǒng)的實時性、可靠性、維護性和繼承性；采用多推進器布局和變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)合的方式能實現(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ROV的工程設(shè)計和應(yīng)用有較好的參考價值。

ROV（纜控水下機器人）是一種集成了探測識別技術(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。ROV采用特殊線纜（內(nèi)含電力線和光纖）與水面控制端連接，實現(xiàn)了水面對水下的能源饋送和水面控制端與ROV的實時通信；操控人員通過水面控制端能實時掌握ROV工作狀態(tài)及水下目標信息，可根據(jù)水下實際情況決定是否對目標進行處理；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、基于Vxworks的ROV軟件架構(gòu)設(shè)計、基于多執(zhí)行機構(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。

1 ROV控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

ROV控制系統(tǒng)采用PC104嵌入式計算機，它具有如下特點：（1）與普通PC機100%兼容；（2）采用層疊方式，因此體積超小；（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1G以上，能夠滿足各種控制場合；（2）自帶多路串口以及多路可編程數(shù)字I/O口，方便實現(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)擴展性好。

控制系統(tǒng)是整個ROV系統(tǒng)的大腦，負責(zé)對各分布式設(shè)備的數(shù)據(jù)進行融合，實時發(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)升級的需要，要求硬件系統(tǒng)具備較好的擴展性，方便外掛各種分布式設(shè)備，而PC104總線具備良好的擴展性，可以滿足系統(tǒng)硬件擴展的需求。

圖1 ROV控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

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

圖2 漏水報警電路圖

ROV集成了多種分布式設(shè)備（傳感器和執(zhí)行機構(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中有部分信號需要通過PC104的數(shù)字端口和模擬端口進行數(shù)據(jù)采集，用戶底板用來實現(xiàn)將原始信號處理為PC104所需的標準信號，包括漏水報警、模擬采集電路、開關(guān)電路等。其中漏水報警電路原理圖如圖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)備多采用模擬信號或串口進行信息交互，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，不利于ROV的功能擴展和實現(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通信有幾個優(yōu)點：（1）CAN總線方便外掛多個分布式設(shè)備，且CAN總線自帶的軟件通信仲裁機制使CAN總線方便實現(xiàn)多點對多點通信；（2）硬件設(shè)計簡化，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

ROV控制系統(tǒng)軟件設(shè)計基于嵌入式實時操作系統(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)計時根據(jù)軟件功能劃分了多個獨立的子任務(wù)，每個子任務(wù)實現(xiàn)一種功能，任務(wù)之間功能相對獨立，任務(wù)間可以通過信號量或消息隊列實現(xiàn)信息交互。根據(jù)ROV的使命任務(wù)，將系統(tǒng)功能按軟件層次進行分解，最終劃分為數(shù)字量采集與控制、推進電機數(shù)據(jù)接收與處理、舵機數(shù)據(jù)接收與處理、深度計數(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、上下位機通信、應(yīng)急保護等任務(wù)。根據(jù)ROV控制的實際情況，將上述任務(wù)根據(jù)優(yōu)先等級進行排序，最終確定應(yīng)急保護任務(wù)為最高優(yōu)先級。系統(tǒng)開機后，軟件自動運行，在主任務(wù)中啟動其它任務(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)度機制為基于優(yōu)先級的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度模式。當(dāng)一個任務(wù)在規(guī)定的時間片內(nèi)沒有執(zhí)行完畢，如果另外一個優(yōu)先級更高的任務(wù)進入就緒狀態(tài)，則原來正在進行的任務(wù)進入就緒狀態(tài)，新任務(wù)進入運行狀態(tài)，直到下一個時間片沒有更高優(yōu)先級的任務(wù)進入就緒狀態(tài)，優(yōu)先級低的任務(wù)才可被執(zhí)行。這種基于優(yōu)先級的時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度模式使軟件具備較好的實時性。

3 ROV低速控位系統(tǒng)設(shè)計

3.1 執(zhí)行機構(gòu)布局

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

3.2 變結(jié)構(gòu)控制算法

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

為了得到低速控位時ROV的流體粘性位置力，將ROV沿軸向分成多個小段（運用切片理論）。先分別得到每一小段的流體粘性位置力，然后把計算得到的各段流體粘性位置力疊加起來，即可得到整個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坐標系y軸和z軸運動時的阻力系數(shù)。

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

由于ROV自帶的線纜對其運動擾動較大，加上復(fù)雜的海洋環(huán)境影響，ROV運動控制難度大，是一種復(fù)雜的被控對象，在控制特性上具有高度的非線性和耦合性。因此，給ROV的運動控制帶了困難，尤其體現(xiàn)在海況較差、海流復(fù)雜時的低速控位工況下，其控制難度更大，常規(guī)的線性控制方法很難使其達到較好的控制效果。為了使ROV獲得較好的運行控制效果，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進行控制模式切換，控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 ROV運動控制結(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。在軟件設(shè)計上，采用基于Vxworks的軟件架構(gòu)，使軟件具有良好的擴展性和可維護性，縮短了軟件開發(fā)周期。采用多推進器布局和變結(jié)構(gòu)控制算法結(jié)合的方式能實現(xiàn)ROV在復(fù)雜的海水環(huán)境中某固定點處低速控位，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)境中進行各種復(fù)雜的探測和處理任務(wù)，是一種功能齊全的水下作業(yè)平臺，在海洋探測、情報搜集、水下目標處理等水下作業(yè)領(lǐng)域中具有不可替代的作用。