基于PID的水下机器人运动控制系统的设计

（青岛恒星科技学院,山东青岛市，266100）潘娜娜 陈 娜 王 芳

随着社会的日益进步和发展，人类对湖泊海洋的探测逐渐深入。但是由于人类自身的限制，人工探查的方式已经不足以满足人们的需求，于此同时水下机器人技术（Remotely Operated Vehicle，ROV）应运而生。然而水下环境复杂多变，机器人在水下的运动不仅受到水动阻力，同时能见度相对于地面和空中而言受到水域限制而大幅下降，而且水下环境的复杂程度又高于陆地和空域。所以给水下机器人的控制造成了难题，传统的PID已经很难适应水下机器人的控制，需要对传统的PID进行改进，达到水下机器人的理想控制效果。

有缆遥控水下机器人(ROV)，由水面操控人员依据地面站通过水下监测的情况对航行器通过脐带缆进行操纵。其优点在于安全系数高、作业范围广、体积小、经济高效，缺点在于操控准确率低、通讯受到脐带缆限制、灵活性差。目前应用范围广泛，特别是在军事和民用领域。在民用方面，ROV主要用于对海底资源的开发和探测，比如石油、矿物质、天然气等。在军事应用领域，应用范围更广，官兵可以利用ROV进行水下探测、救援打捞、水下布雷，探雷和扫雷。所以本文着重研究ROV技术。

1 总体功能与性能指标

ROV是5自由度控制的，在结构上后期研究可以增设两个电机，使系统可以六个自由度控制，使ROV的控制效率更高，控制效果更好。并加装机械臂可以让ROV在水下作业。在材料上，用硬度更高的锰钢代替PMMA材料，使ROV可以下潜到更深水域，密封舱的穿线结构上采用水下耐压连接头，接头使用硫化灌封，使其防水性能达到1000米以上。在通讯上采用电力载波代替TCP/IP双绞线，提升通讯距离。在硬件设计上，使用ARM7以上内核高主频MCU，搭载linux系统，极大提高系统的工作效率。最后在PID算法上进行优化，使用神经PID，结合GA-BP PIDNN使ROV自主性更高。

根据目前国内外各厂商ROV产品的技术指标进行整理与分析，结合不同的作业方式和作业任务，对所研究设计的ROV进行整定，确定ROV的总体功能与性能指标。

主要技术指标：①整体尺寸：长：460mm宽：284.3mm高：255mm；②工作水深：正常工作水深100m，最大工作水深150m；③最大航速：最大航速为3节及1.5m/s；④重量：10.5kg；⑤最大载荷：20kg；⑥探测范围：探测角度为72°，探测距离为3m以内；⑦照明参数：5W LED，水下最大照明距离为3m。

2 各功能模块设计方案

2.1 ROV载体设计方案

载体方案的选择关系到ROV的整体性能参数，不但需要承托电机，密封舱，浮体，照明等结构，同时承担大部分水流扰动，所以对ROV设计起到决定性的作用，在载体方案的选择上不但要考虑ROV整体性能同时兼顾设计的美感。

综合考虑，选择载体为框架式结构，便于各模块的固定，同时可以进行后期的拓展和改造。同时镂空的框体可以降低水的阻力，降低功耗，便于控制。材料选择PMMA有机玻璃，耐腐蚀，透光率可以比拟玻璃，但是不易碎，同时硬度较高，并且耐候性极佳。使用PMMA可以降低整体框架的重量，同时方便加工，是低成本ROV的结构设计的不二之选。

2.2 耐压密封舱的设计方案

耐压舱是ROV固定电源模块，MCU控制器，图像采集模块，姿态传感器等电子元器件的固定安装处，关系到ROV的控制核心，因此需要保证舱内与外界水环境隔离，不会产生泄露从而损坏电子元器件，同时耐压舱因为是空心结构体，为ROV提供主要浮力。对于耐压密封舱的选择需要综合考虑材料、形状、密封等多种因素。

现在ROV的耐压密封舱的主要形式分为：球状壳体，圆柱形壳体。球型壳体表面所受的压力仅为相同直径与壁厚圆筒形壳体的二分之一，同时壳体的表面积最小，一般工作深度超过800m的ROV耐压壳体大多数采用球形[3]，但是其加工复杂成本较高，而本文所设计的水下机器人的工作深度远小于800m，所以采用单侧半球形封头的圆柱形壳体，提高ROV的水下稳定性。并且用铝合金密封法兰进行顶部和底部的密封，增强其密封性，采用半圆型支架进行固定。同时保证ROV的水平方向重心均匀，圆柱长度为300mm，长度占ROV总长的65%。

2.3 1.5ROV控制系统设计方案

根据总体的性能要求，本文研究的ROV分为水下机器人端和地面控制箱端，以水平面为界分为两个部分，上部为地面控制箱端，下端为水下机器人端。

3 密封舱结构设计

3.1 密封舱管设计

考虑到ROV的水下的工作深度及为正常工作过程中所处的深度，ROV长时间工作在此深度不会发生永久形变且下潜次数不受限制。而极限工作深度是ROV在此深度不能长时间作业，且作业次数受限。在设计时需要有一定余量及强度储备。综上考虑采用长300mm，管径90mm，向内薄壁5mm的圆管材质为PMMA（有机玻璃）。屈服强度为4.5e+007N/m^2，张力强度为7.3e+007N/m^2，泊松比为0.35。

3.2 ROV密封舱整体配合与密封处理

密封舱的密封属于静密封，密封舱的两端密封采用“接触密封法”，采用铝合金法兰并开环形槽塞入橡胶圈，通过橡胶圈的复原性，产生自动压紧效应[5]使其可以与亚克力外管紧密接触，O型圈的压缩率取原截面20%，使其使用寿命更加持久，同时在密封法兰和球形壳体的安装，考虑到PMMA的脆性，用两块铝合金夹板进行固定。在密封舱尾部使用8mm厚PMMA板贯穿6个5mm孔用于密封舱走线，而在走线的过程中如果密封不良极易使密封舱漏水，所以在结构上采用空心CNC加工，316不锈钢材质穿线螺丝，把线缆剥下保护套，尾端套入热缩管，用蓝丁胶固定，最后用环氧树脂进行灌封，防水性能可达300m。定穿线螺丝与PMMA盖板固定使用环形橡胶圈，两端进行压紧，PMMA盖板与密封法兰的固采用铝合金夹板从两端固定。

4 结语

通过PID的水下机器人运动控制系统的设计分析，确定了以ROV设计为主的设计理念，提高了水下机器人操作精度的准确性，为海洋作业、水下救援等作出巨大贡献。水下机器人因工作环境的不同，其研发技术要求更高，现阶段我国海岸线长，水下工作机会较多，但水下工作的危险性较高，特别是在深海领域。随着水下机器人技术的不断发展，功能的不断完善，其替代人类下水作业可行性越来越高，市场需求将不断增大，未来发展前景广阔。