遙控水下機(jī)器人模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓宇，冀萌凡，李智剛，李彬

（1.海裝沈陽(yáng)局駐沈陽(yáng)地區(qū)第四軍事代表室，遼寧沈陽(yáng)，110016；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧沈陽(yáng)，110016；3.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧沈陽(yáng)，110169）

0 引言

隨著我國(guó)在對(duì)海洋空間展開(kāi)了系統(tǒng)性、持續(xù)性和深入性的研究及攻堅(jiān)探索，能夠在復(fù)雜海洋環(huán)境中進(jìn)行探索作業(yè)的高可靠性水下機(jī)器人成為人們開(kāi)展各種水下研究及安全搜救任務(wù)的重要工具[1-3]。按照無(wú)人潛水器與水面支持設(shè)備（母船或平臺(tái)）間聯(lián)系方式的不同，水下機(jī)器人可以分為有纜水下機(jī)器人，即遙控水下機(jī)器人（remotely operated vehicle，ROV），和無(wú)纜水下機(jī)器人，即自治水下機(jī)器人（autonomous underwater vehicle，AUV），有纜水下機(jī)器人通過(guò)線(xiàn)纜和母船之間進(jìn)行通訊和運(yùn)動(dòng)控制，無(wú)纜水下機(jī)器人自帶能源系統(tǒng)，通過(guò)水聲通信系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交流，并依靠自主管理及自動(dòng)化運(yùn)維能力來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

ROV 因其造價(jià)經(jīng)濟(jì)實(shí)用、水下運(yùn)動(dòng)行進(jìn)靈活、能適應(yīng)深海強(qiáng)壓腐蝕惡劣環(huán)境、低可見(jiàn)度條件高效作業(yè)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速的研究與發(fā)展。隨著其功能逐漸豐富及安全可靠性提升，ROV 越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用于海洋資源勘探、水下作業(yè)、海底搜索、失事載具數(shù)據(jù)記錄儀打撈等領(lǐng)域[4]。然而對(duì)ROV 進(jìn)行的每一次海試，都需要投入大量人力和物力，而且ROV 控制系統(tǒng)復(fù)雜，操作過(guò)程繁瑣，非專(zhuān)業(yè)人員在使用前需進(jìn)行系統(tǒng)的培訓(xùn)。即使這樣在實(shí)際的培訓(xùn)中也存在著較大的問(wèn)題，比如接受培訓(xùn)的ROV 操縱人員由于操作失誤極易造成ROV 損壞、線(xiàn)纜受損，甚至水下機(jī)器人本體與控制系統(tǒng)失聯(lián)等一系列問(wèn)題[5]。

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種ROV 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)模擬真實(shí)ROV 控制系統(tǒng)，可模擬完成真實(shí)ROV 訓(xùn)練過(guò)程，減少水下作業(yè)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性并大幅降低訓(xùn)練成本。

1 系統(tǒng)概述

本文設(shè)計(jì)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)面向?qū)嶋H需求，基于ROV 控制間，實(shí)現(xiàn)操作與訓(xùn)練一體化，能夠開(kāi)展ROV 常規(guī)操作訓(xùn)練，并構(gòu)建典型訓(xùn)練場(chǎng)景，滿(mǎn)足ROV 接裝后的日常培訓(xùn)要求，有效促進(jìn)ROV 操作人員水下作業(yè)能力快速形成。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

（1）模擬訓(xùn)練系統(tǒng)集成在實(shí)際ROV 控制間中，使用機(jī)械手主手等在內(nèi)的ROV 操控臺(tái)以及場(chǎng)景漫游功能，使受訓(xùn)人員感覺(jué)仿佛置身于真實(shí)的潛器操縱和海底作業(yè)環(huán)境當(dāng)中。

（2）模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使用真實(shí)ROV 控制軟件完成虛擬ROV 控制，受訓(xùn)人員通過(guò)模擬訓(xùn)練可以快速熟悉ROV 控制軟件的使用流程，降低實(shí)操培訓(xùn)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

（3）運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)和計(jì)算機(jī)建模技術(shù)直觀(guān)地顯示出各種環(huán)境條件下潛器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，生成潛器遙控操縱、觀(guān)察、檢測(cè)、作業(yè)等場(chǎng)景，提供逼真的水下作業(yè)景象和潛器狀態(tài)。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包含新手培訓(xùn)、水面作業(yè)方案制定、方案演練與改進(jìn)等三個(gè)方面的模擬訓(xùn)練能力，隨時(shí)都可開(kāi)展模擬訓(xùn)練與方案演練。針對(duì)初學(xué)者開(kāi)展的模擬訓(xùn)練，完全基于模擬訓(xùn)練環(huán)境，有助于操作人員快速上手。針對(duì)實(shí)際下水作業(yè)，可借助模擬訓(xùn)練器的水下場(chǎng)景，制定作業(yè)方案，然后有針對(duì)性地開(kāi)展演練，并且通過(guò)實(shí)際演練不斷改善作業(yè)方案，如此可減少水下作業(yè)發(fā)生危險(xiǎn)，提升作業(yè)效率與安全性。

2 功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的功能描述如表1 所示。

3 ROV 潛器動(dòng)力學(xué)建模簡(jiǎn)介

■3.1 ROV 潛器空間坐標(biāo)系

ROV 潛器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)往往采用雙坐標(biāo)系來(lái)對(duì)ROV 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)描述：固定坐標(biāo)系用于描述其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化，而運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系則主要負(fù)責(zé)體現(xiàn)其受力情況。固定坐標(biāo)系選取海平面上某一點(diǎn)作為坐標(biāo)系基點(diǎn)O，OX 軸方向垂直指向地球質(zhì)心，OZ 軸以地理南北作為其延展方向，OY 軸以地理東西作為其延展方向。三個(gè)坐標(biāo)軸互相垂直，使O-XYZ 構(gòu)成右手坐標(biāo)系。運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系o-xyz 作為分析水下機(jī)器人受力情況的一個(gè)參考系，其原點(diǎn)o 通常選擇為其自身重心處，橫向坐標(biāo)軸x 軸與ROV 的艏向保持一致；縱向坐標(biāo)軸y 軸垂直于x 軸，在ROV 水平面上選取并以本體的右舷作為正方向；坐標(biāo)軸z 軸利用右手定則確定以向下為正方向。

■3.2 ROV 潛器多自由度空間運(yùn)動(dòng)方程

表2 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)

角速度變換矩陣J2(η2) 表示如下式：

結(jié)合上述公式，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量定理可得到水下機(jī)器人的多自由度空間運(yùn)動(dòng)方程如下式：

令v=[u,v,w,p,q,r]T，τRB=[X,Y,Z,K,M,N]T，進(jìn)一步可將運(yùn)動(dòng)學(xué)方程整理如下形式：

其中MRB表示水下機(jī)器人的慣量矩陣，如下式所示：

CRB(v)表示水下機(jī)器人的科氏力和向心力矩陣，如下式所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

■4.1 系統(tǒng)組成

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件組成主要由兩臺(tái)計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)切換模塊組成，計(jì)算機(jī)分別是數(shù)據(jù)解算計(jì)算機(jī)和視景仿真計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)切換模塊則決定主控計(jì)算機(jī)、副控計(jì)算機(jī)、兩個(gè)七功能機(jī)械手與成像聲納的水面端是接入真實(shí)的潛器系統(tǒng)還是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件由數(shù)據(jù)解算軟件和三維視景軟件兩個(gè)部分組成，數(shù)據(jù)解算軟件運(yùn)行在數(shù)據(jù)解算計(jì)算機(jī)上，三維視景軟件運(yùn)行在視景仿真計(jì)算機(jī)上。其中，數(shù)據(jù)解算軟件采用Visual C++6.0 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，三維視景軟件則采用Unity3D 三維引擎以及C#腳本語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。兩者之間通過(guò)UDP 通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

運(yùn)行在數(shù)據(jù)解算計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)解算軟件完成的主要功能如下：

（1）潛水器動(dòng)力學(xué)解算，重點(diǎn)考慮推力、浮力、阻力、負(fù)載、系繩張力、重量、平衡、水流和碰撞等因素；

（2）潛水器過(guò)程數(shù)據(jù)解算；

（3）機(jī)械手主手控制數(shù)據(jù)解算；

（4）UDP 網(wǎng)絡(luò)通信；

（5）將所有收集到的數(shù)據(jù)，包含輸入輸出、故障、參數(shù)、操作、日志等信息，存儲(chǔ)在硬盤(pán)上。

運(yùn)行在視景仿真計(jì)算機(jī)上的三維視景軟件需完成的主要功能如下：

（1）潛水器本體、機(jī)械手及搭載設(shè)備的三維模型模擬，并重點(diǎn)模擬潛器的深度、航向、俯仰、縱傾、高度、打底速度、相對(duì)位置以及核輻射信息等；

（2）虛擬三維環(huán)境數(shù)據(jù)反饋；

（3）虛擬成像聲納模擬；

（4）虛擬攝像機(jī)的視頻模擬；

（5）推進(jìn)器特效、燈光特效等視景特效模擬；

（6）虛擬收放系統(tǒng)和鎧纜模擬；

（7）典型作業(yè)場(chǎng)景和典型作業(yè)目標(biāo)模擬，模擬器能夠模擬水下地形及特征，支持動(dòng)態(tài)照明、景深效果以及潮汐效果，虛擬環(huán)境照明隨著深度的增加而減小，并支持插入導(dǎo)管架、管道、油氣等設(shè)施，建立典型作業(yè)場(chǎng)景，支持多個(gè)深度段的不同水流狀況，即每個(gè)水流水平通過(guò)深度包絡(luò)（即50米至100 米深度）定義，可以有自己的水流速度和水流方向；

（8）虛擬故障模擬、訓(xùn)練記錄回放以及訓(xùn)練任務(wù)配置。

當(dāng)控制軟件切換至“實(shí)際運(yùn)行”后，控制臺(tái)接收來(lái)自水下的傳感器信息、視頻信息與成像聲納信息，完成水下潛器的駕駛、機(jī)械手的操作與作業(yè)工具的控制等。當(dāng)切換至“模擬訓(xùn)練”模式后（此時(shí)水下部分不得上電），主控計(jì)算機(jī)發(fā)送控制（操作）數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)解算計(jì)算機(jī)，由其進(jìn)行潛器動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果分發(fā)給主控計(jì)算機(jī)、副控計(jì)算機(jī)以及視景仿真計(jì)算機(jī)；視景仿真計(jì)算機(jī)則負(fù)責(zé)產(chǎn)生多路攝像機(jī)視頻、1 路全景視頻以及成像、高度信息，并將視頻發(fā)送給視頻綜合服務(wù)平臺(tái)、成像信息發(fā)送給聲納計(jì)算機(jī)、高度信息發(fā)送給兩個(gè)控制計(jì)算機(jī)，使操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)和操作真實(shí)潛器的響應(yīng)和體驗(yàn)一致。

與水下機(jī)器人潛器相關(guān)的動(dòng)力學(xué)解算需要分析包括洋流推力、潛器浮力、水流阻力等外界力的受力作用情況，下面以對(duì)水下機(jī)器人在水試環(huán)境用常見(jiàn)的一些基本作用力如推力、浮力、阻力進(jìn)行公式化測(cè)算表示。

4.1.1 推力測(cè)算

4.1.2 浮力測(cè)算

令τB為水下機(jī)器人在海洋環(huán)境中受到的浮力。浮力所產(chǎn)生的力以及力矩在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的描述如下，其中B 表示浮力，[xbybzb]T表示其浮體質(zhì)心在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的空間位置參數(shù)。

4.1.3 阻力測(cè)算

■4.2 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)于ROV 的運(yùn)動(dòng)控制

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的邏輯關(guān)系如圖1 所示。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的控制臺(tái)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與工控機(jī)建立連接并進(jìn)行通信，水下機(jī)器人通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)傳輸信道反饋給模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理單元。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用Unity3D 引擎模擬水下物理場(chǎng)景并對(duì)水下機(jī)器人的外部受力進(jìn)行仿真分析。通過(guò)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水下物理環(huán)境中光照特效渲染、粒子特效、聲音特效、推進(jìn)器特效和水流阻力的仿真。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)物理引擎渲染后的圖形數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)輸出模塊與顯控計(jì)算機(jī)之間建立的UDP 通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。從而幫助使用者能夠很好地觀(guān)察水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況。并將ROV 的運(yùn)動(dòng)行為及時(shí)回報(bào)給模擬訓(xùn)練系統(tǒng)以對(duì)配置參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)邏輯框架圖

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)支持訓(xùn)練人員通過(guò)操作控制臺(tái)上的控制桿等外部輸入設(shè)備將下發(fā)的控制指令傳輸?shù)綑C(jī)器人控制臺(tái)相連的工控主機(jī)上，工控主機(jī)將經(jīng)過(guò)解算后生成的控制信號(hào)通過(guò)導(dǎo)引線(xiàn)纜傳遞給水下機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)控制單元。在整個(gè)作業(yè)期間，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)采集水下機(jī)器人的潛水深度、速度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等信息，用這些信息更新訓(xùn)練系統(tǒng)中的物理引擎渲染動(dòng)畫(huà)幀，實(shí)時(shí)展現(xiàn)水下機(jī)器人的作業(yè)過(guò)程。操作員可以通過(guò)比對(duì)在Unity3D 仿真渲染的動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景與真實(shí)水試場(chǎng)景中水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)差異來(lái)修正模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真環(huán)境物理參數(shù)，并對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確保訓(xùn)練系統(tǒng)的可操作性和趨真性。

本系統(tǒng)中對(duì)水下機(jī)器人本體采用PID 增量式算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。一般控制系統(tǒng)通過(guò)改變PID 控制器不同參數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程的穩(wěn)定控制。其中e(t)、y(t)分別表示系統(tǒng)PID 控制器的輸入量和輸出量，e(t)取值通過(guò)設(shè)定值r(t)和輸出量y(t)取差值獲得，定義為系統(tǒng)偏差，表示如下：

根據(jù)PID 控制系統(tǒng)原理可知，將系統(tǒng)偏差信號(hào)的比例、微分、積分的線(xiàn)性組合作為系統(tǒng)的輸出控制量，其算法公式表示如下：

傳遞函數(shù)形式表示如下：

通過(guò)采用PID 增量式算法設(shè)計(jì)水下機(jī)器人控制器，該算法在計(jì)算時(shí)不需要累加偏差值，不會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)生故障導(dǎo)致控制量急劇變化進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)失控。通過(guò)在恒定采樣周期內(nèi)進(jìn)行取值采樣，將確定的參數(shù)下輸入系統(tǒng)得到的控制增量。因而采用PID 增量式算法能夠更好地調(diào)節(jié)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制策略。

■4.3 關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)

（1）訓(xùn)練準(zhǔn)備階段

訓(xùn)練準(zhǔn)備階段首選選擇訓(xùn)練任務(wù)。在選擇任務(wù)后，可查看本次訓(xùn)練的訓(xùn)練目標(biāo)以及訓(xùn)練流程，并進(jìn)行母船配置、機(jī)械手配置、作業(yè)工具配置、作業(yè)位置配置等。其中母船配置包括母船位置及母船型號(hào)；機(jī)械手配置包括左手型號(hào)、左手手爪型號(hào)、右手型號(hào)、右手手爪型號(hào)；作業(yè)工具配置包括作業(yè)工具種類(lèi)和安裝位置；作業(yè)位置配置可以選擇不同的作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)物體放置，強(qiáng)化訓(xùn)練效果。

（2）正式訓(xùn)練階段

當(dāng)開(kāi)始訓(xùn)練任務(wù)后，教練員可以通過(guò)教練員系統(tǒng)進(jìn)行當(dāng)前訓(xùn)練的環(huán)境參數(shù)設(shè)置，包括當(dāng)前作業(yè)位置信息顯示，海面海流升沉設(shè)置，燈光特效配置，海水顏色配置，沉沙特效配置等。教練員可以通過(guò)教練員系統(tǒng)進(jìn)行綜合視景顯示的配置，包括虛擬攝像機(jī)的分屏方案配置、分辨率配置以及分屏切換。教練員在訓(xùn)練過(guò)程中可以對(duì)受訓(xùn)人員設(shè)置虛擬故障，包括虛擬漏水故障、虛擬絕緣故障、虛擬能源故障以及虛擬補(bǔ)償器故障等，受訓(xùn)人員在發(fā)現(xiàn)故障之后，對(duì)相應(yīng)的故障進(jìn)行檢查處理，當(dāng)故障排查完畢后，教練員完成本次故障模擬。

（3）回放總結(jié)階段

在訓(xùn)練結(jié)束后，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以重新打開(kāi)記錄的訓(xùn)練過(guò)程，教練員可以根據(jù)模擬訓(xùn)練的回放對(duì)受訓(xùn)人員進(jìn)行操作分析以及打分總結(jié)

（4）任務(wù)場(chǎng)景測(cè)試

設(shè)置黑匣子訓(xùn)練任務(wù)對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，具體流程如下。

①駕駛ROV 找到飛機(jī)失事地點(diǎn)。

②在飛機(jī)殘骸附近找到黑匣子。

③使用機(jī)械手抓取黑匣子。

④ROV 攜帶黑匣子回收到水面，完成訓(xùn)練。

（5）可擴(kuò)展功能

可擴(kuò)展功能允許用戶(hù)進(jìn)行相關(guān)功能的擴(kuò)展，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可擴(kuò)展功能如下：

①模擬器允許用戶(hù)手動(dòng)導(dǎo)入地形/水深測(cè)量文件；

②模擬器允許用戶(hù)自由拖放目標(biāo)或結(jié)構(gòu)物布局；

③模擬器允許用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求自定義任務(wù)目標(biāo)或結(jié)構(gòu)物；

④模擬訓(xùn)練系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶(hù)的需求，進(jìn)行定制更新。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)面向?qū)嶋H需求，基于ROV 控制間，實(shí)現(xiàn)操作與訓(xùn)練一體化，能夠開(kāi)展ROV 常規(guī)操作訓(xùn)練，并構(gòu)建典型訓(xùn)練場(chǎng)景，滿(mǎn)足ROV 接裝后的日常培訓(xùn)要求，有效促進(jìn)ROV 操作人員水下作業(yè)能力快速形成，可減少水下作業(yè)發(fā)生危險(xiǎn)的可能性并大幅降低訓(xùn)練成本。控制軟件具備后期功能擴(kuò)展的能力，如用戶(hù)方有新的功能需求或者添加新設(shè)備及傳感器，可以根據(jù)需求進(jìn)行功能擴(kuò)展。同時(shí)，可以通過(guò)修改代碼或添加功能模塊進(jìn)一步提高控制軟件的可靠性和穩(wěn)定性。