微小型自主式水下机器人系统设计及试验

魏延辉,田海宝,杜振振,刘鑫,郭志军，赵大威

(1.哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨150001；2.空军驻江西地区军事代表室，江西 南昌 330024)

随着各国对海洋开发的重视，对海洋设备勘察和开发的研究越来越多，而水下机器人是海洋开发的重要载体，是研究的重点之一[1-3]。

智能水下机器人需适应复杂的海洋环境，其载体不仅要具有耐压、水密和承受负载的能力，而且要具有低阻力、高推进效率和实现空间运动的能力。另外，在十分有限的空间，需配置不同性能的多种传感器以满足环境探测、目标识别、自主航行和自主完成任务的需要[4]。因此水下机器人的总体技术是水下机器人关键技术之一。目前自主式的水下机器人多以细长流线型外形、欠驱动方式为主，这种方式的机器人具有阻力小、成本低、重量小、系统可靠性高等特点[5]，国外此类水下机器人较为著名，如REMUS-100，它是由美国Hydroid公司开发的一款被公认为是当今知名度最高也是最成功的微小型水下机器人[6]，还有Bluefin Robotics公司的Bluefin-9[7]、美国Nekton公司研制开发的微小型水下机器人“巡逻兵(Renger)”[8-9]也都代表着当前水下机器人的先进水平。

本文所设计的微小型自主式水下机器人采用主推进器、双侧推进器、双垂推进器的组合方式，建立系统控制模型，进行系统控制试验有效性验证。

1 水下机器人系统

1.1 水下机器人总体设计

微小型自主式水下机器人设计要求结构布置紧凑，合理利用水下机器人的各部分空间，以保证各种设备便于操作，又避免相互干扰和影响，以最大程度的发挥各种装置和仪器的技术性能。此外，留有一部分备用空间，以便今后改装和临时增加设备仪器。本文所设计的水下机器人如图1所示，机器人系统中主要器件如表1所示。

图1 微小型自主式水下机器人

表1 微小型自主式水下机器人主要器件列表

机器人外壳体采用碳纤维，增加壳体的强度，减少了壳体的重量；电气系统集中在密封舱内，减轻系统防水任务，也便于拆卸维修；系统内辅以刚性骨架，骨架设有浮力材料的安装位置，方便进行浮力配比；系统水中整体设计为零浮力状态，且系统空气中重心在系统重心偏下，保证系统稳定性；系统对外的电气接头采用防水接头。

1.2 水下机器人形体设计

根据水下机器人的使用场合和技术要求，其外形尺寸、结构形式会各种各样，但是进行形体的设计时，总体需要考虑的原则：阻力小、航行性能好，足够的强度，便于总体布置，良好的工艺性。

为了减小所设计的水下机器人行进阻力，减少动力消耗，将外表做成流线型，如鱼雷形或球形。自主式水下机器人需要系统自带电源，为了增加水下操作时间，减少动力消耗，除了在控制方面合理进行分配动力，还应该减少行进阻力，对形体进行优化，为此在壳体两侧的侧下方分别安装电源舱。

1.3 推进器的布置

水下机器人的推进器数量取决于要求实现的自由度的个数，一般来讲应大于或者等于自由度个数。所设计的水下机器人以平移运动为主，能快速准确地到达指定点目标坐标位置，在3个姿态角中，航向角决定水下机器人的前进方向，是水下机器人姿态角中最重要的；俯仰角决定水下机器人的上升和下降运动；为了保证水下机器人正常作业，通常将系统的重心设计到系统中心线偏下的位置，抑制其横滚运动的产生。综合以上因素，所设计的水下机器人采用单个主推进器、2个垂推推进器和2个侧推推进器组合的方式，增加系统的运动灵活性和自主控制能力。

推进器的布局按照下面2个原则[10]进行：

1)应尽可能的使三轴的合力交汇于一点，而且这点应尽可能的接近机器人的重心，防止有害的附加运动给系统带来控制上的麻烦。

2)平移运动时，理论上推进器的布置与机体坐标系保持平行，能够取得最大的推进效率，但是水下机器人空间有限，设备布置比较密集，所以推进器的入流会受到遮挡的影响，使推进器的效率降低。为了改善这种情况，将推进器的轴线与坐标轴线之间留一个小的角度，这个角度可取5°～10°，而cos 5°～cos 10°仍接近于1，故而推力不会损失太大，不仅改善了入流情况，还会提高推进器的效率。

1.4 控制系统

水下机器人的控制系统采用集中控制方式，中心控制器为高性能的PC104，通过通讯扩展卡与分系统进行数据提取和任务控制，完成系统电源检测、图像采集、全局路径轨迹规划、视觉导航、姿态控制等任务。控制系统组成框图如图2所示。

图2 控制系统组成框图

1.5 推进器控制驱动系统

如图3所示，推进器的控制系统以DSP为核心，完成对各种信号的处理以及系统控制，通过串行通讯接口与PC104进行通讯，获得深度、姿态及速度信息，同时上传各推进器的速度信息。为了使推进器更加有效进行控制，每个驱动器都以飞思卡尔单片机为核心组成速度闭环控制系统。DSP以PWM方波形式向各驱动器发送推进器速度控制命令，飞思卡尔单片机通过捕获的方式获得命令后，发送PWM方波到MOS管组成驱动模块上控制推进器进行运动，同时检测推进器的三相电流变化测量推进器的运行速度，实现推进器的速度闭环控制。

1.6 速度及深度检测系统

水下机器人采用多普勒计程仪作为系统速度检测模块。利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量水下机器人相对于水底的航速和累计航程。这种计程仪准确性好，灵敏度高，可测纵向和横向速度，但价格昂贵。主要用于巨型船舶在狭水道航行、进出港、靠离码头时提供船舶纵向和横向运动的精确数据。多普勒计程仪受作用深度限制，超过数百米时，只能利用水层中的水团质点作反射层，变成对水计程仪。

2 基于DSP控制器的控制回路设计

2.1 深度控制回路的PID控制

水下机器人的定深系统是通过深度计反馈的电压信号经过A/D转换变成深度信号，通过调整垂直方向的推进器，使深度达到预定的状态，其控制回路框图如图4所示。

图4 定深控制回路

图中：Di为深度输入，Do为深度输出，典型的PID调节器作为系统定深的控制器，根据上图可得到：

(1)

式中:KP、Ki和Kd是PID调节器系数。为了保证响应速度快和精度准，可以根据当前误差信号的大小改变比例系数、积分系数和微分系数：

(2)

(3)

(4)

其中误差信号数值是根据实际所用的深度测量传感器的精度所决定的，以试验所得数据为准，在误差信号大于0.5 m时，将积分环节的积分系数变为零，增大比例系数，将微分系数也置为零，这样可以提高系统的快速性；在误差信号小于0.5 m时，加上积分环节，减小比例系数，将微分系数去除一个合适的正数(通过试验进行验证选取)，提高系统精度。

2.2 速度控制回路的PID控制

水下机器人的速度检测装置是通过脉冲计数的原理，根据计数时间计算出当前的速度，为了使其达到一个给定的速度运动状态，本文设计的速度控制回路也采用传统的PID调节器作为闭环系统的控制装置。其速度控制方框图如图5所示。

图5 速度控制回路

图中：Ui为速度输入，Uo为速度输出，本文采用典型的PID调节器作为系统定深的控制器，可得：

(5)

为了保证响应速度快和精度准，可以根据当前误差信号的大小改变比例系数、积分系数和微分系数：

(6)

(7)

(8)

其中误差信号的确定是根据实际所用的速度测量传感器精度所决定的，但是要以实际的试验所得数据为准，因此在误差信号大于0.2 m/s的时候，将积分环节的积分系数变为零，增大比例系数，将微分系数也置为零，这样可以提高系统的快速性。在误差信号小于0.2 m/s时候，加上积分环节，减小比例系数，将微分系数去除一个合适的正数(通过试验进行验证选取)，提高系统的精度。

2.3 定位控制回路的PID控制

定位控制能使水下机器人准确进入某个平面位置并保持在该位置，水下机器人的定位控制是通过捷联惯性导航系统输出的位置信息和上位机下达的目标信息相互比较，将两个位置误差(xe,ye,ze)作为控制器的输入值，通过控制器控制升降推进器、舵机和主推进器减少其误差值，直到为零，其定位控制回路框图如图6所示。

图6 定位控制回路

图6中的(xo,yo,zo)为导航系统输出的实际值，(xi,yi,zi)为控制系统的给定值，本文采用典型的PID调节器进行定位控制，根据上图可得到如下控制规律：

(9)

式中：Xc、Yc、Zc为PID控制器的输出和被控对象的输入，KP1、KP2、KP3为3个坐标轴调节器的比例系数，Ki1、Ki2、Ki3为3个坐标轴调节器的积分系数，Kd1、Kd2、Kd3为3个坐标轴调节器的微分系数。在控制过程中，3个坐标轴是独立的分量，在进行定位时，推力分配也同样单独进行的，其系数调节控制规律如下(以X轴为例)：

(10)

(11)

(12)

其中误差信号值是根据实际所用的捷联惯导系统的精度所决定，但是要以实际的试验所得数据为准，因此在误差信号大于0.2 m/s的时候，将积分环节的积分系数变为零，增大比例系数，将微分系数也置为零，这样可以提高系统的快速性。在误差信号小于0.2 m/s时候，加上积分环节，减小比例系数，将微分系数去除一个合适的正数(通过试验进行验证选取)，提高系统的精度。

3 运动控制试验

水下机器人的航行性能是实现系统其他运动功能的保证，所以航行性能试验在水下机器人试验中占居重要地位，也是检验运动控制系统设计合理性的重要依据。

为了检验水下机器人在航行中运动控制系统的性能，做了大量的航行试验，试验环境如图7所示。进行水下试验的环境为：水声声道水池，长20 m，宽4 m，水深2 m，水池内水域情况良好，满足试验条件。

图7 水下机器水池中航行

3.1 水平面航行试验

将水下机器人放置到水池中，使其能够在水中保持漂浮状态，然后通过上位机传送控制命令，使推进器在一定转速下工作，通过控制不同位置的推进器完成水下机器人直线航行、侧推航行和转弯试验。

3.1.1 直线航行试验

水下机器人在水池中处于漂浮状态时，控制主推进器工作，使它保持一定转速推动水下机器人能够在水中做直线运动。

试验中通过PC机记录试验过程中水下机器人的航速、位置信息和深度信息，通过与设定的直线航迹对比如图8所示。

通过试验数据可以看出，采用单推进器进行直线航行，运动误差达到1.38 m，运动误差较大，原因在于水下机器人外壳体设计加工的偏差产生阻力不均，以及水下扰动影响，会使航行偏差较大，为此需要进行侧向推进器进行辅助，才能满足直线航行运动要求。

图8 直线航行时轨迹比较

3.1.2 侧移航行试验

试验中，通过PC机记录了运动的位置、速度和深度信息，与所设定的侧移运动航迹相比较的轨迹图如图9所示。图中最大运动误差在0.2 m内，采用双推进器能够完成侧移运动，保证运动控制精度。

图9 水下机器人侧移时航线

图10 水下机器人转向航线

水下机器人在水池中保持漂浮状态，通过PC机发送命令，使侧面的2个推进器同步工作，但是要转向相反，就可达到转向航行的功能。并且这样转向大大缩小了转弯半径。转向航行试验中，PC机通过记录位置，速度和深度信息，与所设定的航行轨迹相比较的图10。

从图中控制轨迹线可以看出，实际转向轨迹和预定轨迹吻合，满足控制精度要求。

3.2 垂直面航行试验

将水下机器人放置到水池中，使其保持漂浮状态，通过PC机发送指令控制升降推进器工作，当水下机器人下降到一定深度，升降推进器停止工作，使其保持在一定的深度位置。

通过试验记录的深度计数据和航向数据，与所设定的轨迹相比较结果如图11所示。

(a)纵深航线

(b)侧深航线

从图中的试验结果可以看出，运动控制精度在0.1 m左右，满足实际控制要求。

4 结论

1) 研制的微小型自主式水下机器人采用单个主推进器、双侧推进器、双垂推进器的组合方式，来完成海洋环境的适应和自主运动的实现。

2) 将复杂多输入多输出控制系统分解成3个

分控制系统：深度控制回路、速度控制回路、定位控制回路，减少控制系统的耦合程度，降低控制算法的难度。

3) 通过水下运动控制试验结果表明：采用3个分控制系统能够在侧向移动、转向、升降运动保持控制精度，在直线航行运动误差较大，需其他推进器进行辅助可满足运动控制精度要求。

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