摘要：针对浅水遥控水下机器人（ROV）的开发和研究，提出了一种基于模块化思想的浅水水下机器人控制平台的设计方案以及系统结构，将控制平台的硬件系统按照其功能划分模块。通过将各个主要模块集成于一个便携式操控箱上，完成了对水下机器人的远程控制和数据交互，实现了结构的简单化，功能的灵活化。
关键词：浅水水下机器人；模块化；控制平台
Design and Implementation of Control Platform for Underwater Vehicle Based on Modularization
Li ZhaoLiang1
（1. Northeast Petroleum University College of Mechanical Science and Engineering，Daqing，Heilongjiang，163318）
Abstract：Aiming at the development and research of shallow water remote control underwater vehicle（ROV），a design scheme and system structure of control platform for shallow water underwater vehicle based on modularization idea are proposed. The hardware system of control platform is divided into modules according to its functions. By integrating the main modules into a portable control box，the remote control and data interaction of the underwater robot are completed，and the structure is simplified and the function is flexible.
Keywords：Shallow water underwater vehicle；Modularization；Control platform
引言
我国江河湖海水域众多，海岸线漫长，滨海、城市河流、港口、水库等水域星罗棋布，随着国际国内各种政治、经济、军事及社会形势的发展，这些水域及位于其中的资源和重要设施面临探测、开采、监控等诸多新的问题[1]。
水下机器人多为开放式结构并装有摄像头、照明系统和多种传感器，在作业时可以根据需要选择安装合适的作业工具，比如机械手、切割装置等，水下机器人具有实用性强、操作灵活、工作效率高、成本较低等特点，能够很好地解决上述面临的问题。
浅水水下机器人的控制平台主要为水上控制系统，通过模块化设计[2]，将各个主要模块集成于操控箱内，使得便携式控制平台具有了各个子模块的功能，不仅便于操作人员远程控制水下机器人的位姿以及作业动作，而且能够实现实时监控作业对象并通过人机界面显示给工作人员，此外，水下机器人上安装的多种传感器可以帮助工作人员在控制平台上准确地获取有效参数等。
1控制系统设计
控制系统是ROV的重要的组成部分，ROV的所有动作行为都需要由控制系统发起和约束，而水下机器人控制平台是ROV水上控制系统的主要载体，其涉及水下机器人的运动控制子系统和信息交换子系统。ROV的控制系统由多个子系统组成，现根据各子系统之间的相互关系，给出控制系统的组成图，如图1所示。
图1 控制系统组成
Fig.1 Composition of control system
（1）运动控制子系统
运动控制子系统是控制系统的核心，其性能的好坏直接影响ROV能否完成给定的运动任务，子系统主要包括操纵手柄、显示屏幕、上位机、下位机和推进器。运动控制主要包括航向控制、航向和进退速度的复合控制、定深控制和定高控制，本文计划完成ROV的定艏控制。
（2）信息交换子系统
ROV在水下工作时，水面操作者发出的指令需要通过其传输至本体上，然后传至各执行机构，同时也需要将水下设备和传感器检测得到的信息、数据传输至水面控制箱，供操作者决策使用。常见的通信方式有使用双绞线的串行通讯、使用同轴电缆的视频和数据混合传输、使用光纤的光缆通讯。本文选择选用光纤通讯的方式，使用光电复合缆来作为ROV水上、水下数据交换的通道，复合缆同时也负责将供配电系统输出的电力传输至ROV本体上。
（3）导航定位子系统
导航定位子系统负责检测ROV的运动姿态、深度和空间位置信息，常见导航方法有视觉导航、仪表导航和定位系统。视觉导航包括通过声纳、摄像机、云台和照明灯等设备，通过各设备配合作业获取水下环境和被观测目标的图像资料。反映ROV运动参数的设备都可以当作导航仪表，常用有罗盘、深度计和多普勒测速仪等。定位系统可分为自主导航定位系统和非自主导航定位系统。ROV上常用的定位系统有自主式的惯性导航系统和非自主式的超短基线定位系统。
1控制平台结构设计
ROV水上控制平台包括以工控机作为核心控制器的硬件系统和人机交互的软件系统，实现的主要功能包括：ROV姿态控制、水上水下通讯、显示ROV状态和视频信息，然后根据ROV的水下作业类型，对输出模块进行拓展。控制平台硬件系统主要包括中央处理系统、人机交互模块、信号采集模块、电源管理模块、光纤通信模块和外接模块等几部分组成。
（1）中央处理模块
中央处理模块是水下机器人的“大脑”，本文选用了研华公司的UNO-3085G嵌入式工业电脑，如图3所示。该型号工控机具有运行快速、稳定可靠等优点，该机使用的是Intel Core i7-2655LE，2.2 GHz处理器，可装载Windows® WES 2009、Win7/8等操作系统，支持支持DVI-I，HDMI两组独立显示，有2个RS-232/422/485接口、2个以太网口和8个USB接口[3]，配置I/O、A/D采集模块，为外接设备的接入提供了便利。
（2）人机交互模块
人机交互模块硬件部分由人机界面模块和操控面板两部分组成，人机界面模块包括一块17寸嵌入式显示器作为人机界面的显示器。
人机界面大致可以分为连接区域、显示区域、操控区域。连接区域根据功能性划分为三个模块：设置模块，用于设置连接IP地址、端口号；命令流模块：用来发送和接收控制平台与机器人之间的传输数据；连接窗口：确认设置并与机器人连接。显示区域包括视频图像区和状态参数区，视频图像区主要显示摄像机捕获水下实时视频画面，辅助工作人员较好地掌握水下的基本情况从而达到监控的目的；状态参数区用于显示ROV的工作状态以及运动参数，包括各个推进器的转速、机器人的位姿、机械臂的转角等信息。操控区域，主要用于控制水下机器人的位姿及工作状态。
操控面板上装有三块分别显示水下机器人深度、位姿、航速的SMD数显表。操控面板上集成了用于控制机器人和控制平台其他模块的功能性按钮，具体包括电源操作按钮、摄像头调教旋钮、照明系统亮度调节旋钮、通信信息操作按钮、急停按钮等，将使用频率较高的功能按钮置于操控面板上，可以更好地实现人机交互。
（3）信号采集模块
信号采集模块是实现控制平台和水下机器连接的重要环节，信号采集模块主要包括Arduino微控制器和光端机两部分。信号采集模块的功能包括信号采集和信号传输两部分。信号采集是利用安装在ROV上的各路传感器，对水下的压力、温度、视频信息以及位姿等工作参数进行采集；信号传输是将采集到的工作参数通过光纤数字通信技术实现对采集信号的实时传输；另外，控制平台有5个功能键，分别控制机器人的机械臂的复位、用于调节摄像头焦距、照明灯的亮度、机器人的定航和机器人的定艏等，实现了水上信号对水下ROV主体的信号控制。光端机是光信号传输的终端设备[4]，光端机一般成对使用，光端机（水上）负责将光端机（水下）发出的光信号转换为电信号，可以将水下各个传感器和推进器等的实时数据先通过光纤传递至光端机（水上）后，再由通过485输出接口将数据传输给工控机，并将工控机发出的电信号转换为光信号，发送至光端机（水下）[5]。
（4）电源管理模块
控制平台中的电源管理模块主要负责给各个模块供电，供电电源提供24V电源，操控箱内装有24V转12V的电源转换器，通过端子排可以为各个模块提供24V和12V电源。电源管理模块能够为控制平台稳定供电，保证控制平台中各个模块安全使用，不会出现电流电压过载导致电子器件的损坏。
2.结论
本文首先介绍了ROV控制系统的组成，包括运动控制子系统、信息交换子系统和导航定位子系统，然后主要介绍了基于模块化的浅水水下机器人水上控制平台系统的结构设计，包括水上控制平台各个部分模块设计，给出了各个模块的主要功能。将控制平台集成于便携式操控箱内，使得工作人员更加便捷地远程控制水下机器人，控制方式灵活，工作环境安全稳定，人机界面简洁直观，通过模块化设计可以大大提高控制平台的实用性，满足了多样化浅水环境的需求。
参考文献：
[1]邓威. 带缆遥控水下机器人三维运动滑模控制研究[D].华南理工大学，2011.
[2]王和伟，陈飞，王丽国，李海林，渠立红.多功能综合试验台的模块化设计[J].矿山机械，2010，38（12）：36-39.
[3]杨雨潇. 遥控水下机器人控制系统设计及试验分析[D].东北石油大学，2018.
[4]祝甜一，赵忠辉，谈英姿，许映秋.救援机器人远程监控平台的设计与实现[J].工业控制计算机，2015，28（04）：45-47.
[5]王广.煤矿供电远程监测监控系统设计及应用[J].机电技术，2010，33（05）：76-79.
论文作者:李兆亮
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：水下论文; 机器人论文; 模块论文; 子系统论文; 平台论文; 信号论文; 控制系统论文; 《电力设备》2019年第4期论文;