第 13 卷 第 6 期 2018 第 6 期年 12 月
中 国 舰 船 研 究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.13 No.6 Dec. 2018
引用格式： 张光义， 曾庆军， 戴晓强， 等 . 水下安全检测与作业型机器人控制系统 ［J］ . 中国舰船研究， 2018， 13 （6） ： 113-119. ZHANG G Y，ZENG Q J，DAI X Q， et al. Control system of ROV for underwater safety inspection and operation ［J］ . Chinese Journal of Ship Research， 2018， 13 （6） ： 113-119.
云台摄像机 机械手 轮组模块
开架式框架 电子耐压舱
许竞克等［3］介绍了 ROV 的系统组成及其特点， 并
探讨了 ROV 的应用和发展趋势， 说明水下机器人 ROV 控制系统结构与艏向控制技术， 此款机器人
图 2 ROV 本体控制系统组成 Fig.2 Control elements of ROV
发挥的巨大作用； 王 宇 鑫［4］介 绍 了 “海螺一型” 下潜深度为 100 m ， 但是无机械手进行水下作业； 张玮康等［5］研制了一款依赖机械手作业的 ROV ， 其主要通过腹部作业机构完成对接及回收。张铭 钧等［6］将神经网络与广义预测控制相结合， 对 “海 狸” 水下机器人进行纵向控制。 目前， 国内外 ROV 多采用推进器实现单一的
文献标志码： A DOI： 10.19693/j.issn.1673-3185. 01167
脐带缆以 2 对双绞线、 1 对电源线为信号电力传输线， 水下控制系统以 ARM 嵌入式为主控单元。建立 ROV 动力
Control system of ROV for underwater safety inspection and operation
2 ZHANG Guangyi1， ZENG Qingjun1， DAI Xiaoqiang1， ， ZHU Chunlei1， LING Hongjie3 1 School of Electronics and Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China 2 Jiangsu Shiptek Automation Technology Co.， Ltd.， Zhenjiang 212003， China 3 Marine Equipment and Technology Institute， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China
学模型， 设计 ROV 艏向控制的广义预测控制器。经过系统调试， 进行水池试验和湖上试验。 ［结果］试验证明， 该系统运行正常， 整套控制系统的稳定性、 可靠性、 实时性均达到设计要求， 满足水下安全检测及作业要求。 ［结 论］该系统设计方案和控制算法对于其他水下机器人的控制系统研究均有借鉴意义。 关键词 ： 安全检测； 作业； 控制系统； 广义预测控制； 湖试试验 中图分类号 ： U674.941
此款水下安全检测与作业型机器人的工作深 度可达 300 m ， 具体技术参数如表 1 所示。操作人 员进行水下机器人作业时， 通过水面控制台的操 纵摇杆、 控制按钮来实现 ROV 的运动及机械手的 包括视频图像信息和 ROV 各传感器信息。
表 1 ROV 关键技术参数 Table 1 Key parameters of ROV
控制台、 电源柜、 脐带缆及 ROV 本体。 ROV 控制 进行传输， 传输介质为双绞线。 ROV 本体由 9 个 部分组成 （图 2） 。
系统组成如图 1 所示。电源柜为水面控制台和 ROV 本体提供电力， 数据传输通过 RS485 半双工
（Human Occupied Vehicle， HOV） ， 自主式水下机 器人 （Autonomous Underwater Vehicle， AUV） ， 带缆 统不尽相同。由于 ROV 具有作业深度大、 动力充
收稿日期： 2018 - 01 - 11 网络首发时间： 2018-10-19 14:15
基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （11574120） ； 江苏省自然科学基金资助项目 （BK20160564） ； 江苏省国际科技合作项 作者简介： 张光义， 男， 1991 年生， 硕士生。研究方向： 水下机器人控制。 应用， 水下机器人控制， 现代测控与智能系统。 船舶自动化。 目 （BZ2016031） ； 江苏省研究生科研与实践创新计划项目 （SJCX17-0594） ； 镇江市国际合作项目 （GJ2015008） 曾庆军 （通信作者） ， 男， 1969 年生， 博士， 教授， 硕士生导师。研究方向： 先进控制理论与
水下安全检测与作业型机器人控制系统
2 张光义 1， 曾庆军 1， 戴晓强 1， ， 朱春磊 1， 凌宏杰 3
1 江苏科技大学 电子信息学院， 江苏 镇江 212003 2 江苏舾普泰克自动化科技有限公司， 江苏 镇江 212003 3 江苏科技大学 海洋装备研究院， 江苏 镇江 212003
摘 要： ［目的］针对船体、 大坝、 水下钢结构等表面附着物的安全检测， 以及附着物清除作业的要求， 需要研制 一款新型水下安全检测和作业型带缆遥控水下机器人 （ROV） 。此类 ROV 需针对不同作业任务更换机械手， 实 现抓取、 切割的功能， 从而保证去除结构物上的附着物。 ［方法］阐述水下安全检测和作业型机器人的整套系统 组成及原理。该系统以 Arduino 单片机为控制面板信号采集工具、 以水面监控系统开发工控机为平台， 零浮力
Abstract： ［Objectives］In order to achieve safety inspections for surface attachments on hulls, dams and underwater steel structures according to the requirements of removing attachments， a new Remotely Operated Vehicle （ROV） equipped with cables for underwater safety inspection and operation is developed. This type of ROV uses different manipulators for different tasks to achieve the function of gripping and cutting，so as to ensure the removal of the attachments on the structure.［Methods］Here we describe the composition and principles of a control system of the ROV for underwater safety inspection and operation；this control system uses Arduino microcontroller as a control panel signal acquisition tool， industrial personal computer as a platform of the water surface monitoring system，zero buoyancy umbilical cable consisting of two pairs of twisted pairs and a pair of power cables as the means of the signal power transmission，and ARM embedded underwater control system as the main control unit；we establish the ROV dynamics model，and design the Generalized Predictive Controller（GPC） of ROV heading control. ［Results］ The commissioned system is normal；tank test and lake test in Qiandao Lake prove that the stability，reliability and real-time performance of the entire control system meet the design requirements and the requirements of underwater safety inspection and operation. ［Conclusions］ The design scheme and control algorithm of this system can provide reference for the control system of other ROVs. Key words： safety inspection； operation； control system； lake test Generalized Predictive Controller(GPC)；
［1］ 遥控水下机器人 （ROV） ， 三者的应用及控制系
图 1 ROV 控制系统组成 Fig.1 Control systems of ROV
水翼平衡模块 浮体 推进器 水下灯
足以及适应水下恶劣环境的优点［2］， 因此被广泛 地应用于海洋管道的勘察、 海洋平台的检查与维 修、 水下大坝的检测、 水产养殖等不同行业。更有 脐带缆作为安全保护， 极大地提高其安全性能， 发 生故障时不易丢失， 但同时， 其脐带缆限制了 ROV 的运动范围。 国内很多学者在机器人研制方面做了研究。