16水下安全检测与作业型机器人控制系统
水下机器人的控制系统设计及其应用
水下机器人的控制系统设计及其应用在现代科技的快速发展中，水下机器人成为拥有极大发展潜力的一种高新技术产品。
无论在水下搜索，海底勘探、海洋生态监测等领域都有着广泛的应用。
而其中一个重要的因素是水下机器人的控制系统，它决定了机器人的动作以及在工作时的稳定性和安全。
因此，针对水下机器人控制系统的设计及其应用研究是当务之急。
本文将会从控制系统的设计入手，分析其组成结构及其控制策略，以及目前水下机器人控制系统在海洋勘探、资源发掘和海底环境监测方面的应用。
一、水下机器人控制系统的设计水下机器人控制系统是机器人的大脑，决定了机器人的方向、速度和姿态，并将其与人类的指令进行接口。
有效的水下机器人控制系统可以使机器人在复杂的水下环境中高效运作，并可以避免许多危险。
水下机器人控制系统的设计一般包括能量供应系统、传感器、控制器以及执行器。
1. 能量供应系统对于大多数水下机器人而言，电池将是其能量供应系统的核心。
然而，由于水下环境的特殊性，机器人需要有较长的工作时间，因此水下机器人的控制系统需要通过一些方法来降低机器人的能量消耗。
例如，增加机器人的壳体材质以增强机器人的浮力，避免机器人对于深度的主动操控等。
此外，太阳能电池板可以在水上或水下提供独立的能源，以适应不同的水下任务需求。
2. 传感器作为与环境交互的重要组成部分，传感器可以帮助机器人识别环境以及进行数据采集。
在水下环境中，机器人需要使用各式各样的传感器，如摄像头、声学传感器、压力计、温度传感器等等，以便完成其任务。
例如，在水下搜索中，水下机器人需要具有高精度的声学和光学传感器，以便检测到目标物体。
在海底勘探中，应该采用高精度的磁力计和惯性导航系统来确定目标物体。
3. 控制器控制器是水下机器人控制系统的实质性部分，决定了机器人如何执行任务。
常见的控制器可以分为传统的PID控制器和现代的模糊控制器、神经网络控制器、遗传算法控制器等。
这些控制器通常都有输入信号、反馈信号和输出信号。
水下机器人的控制系统设计与优化
水下机器人的控制系统设计与优化一、简介水下机器人是一种用于进行海底勘探、海洋生物学研究、深海资源开发等工作的自主机器人。
与陆地机器人不同，水下机器人具有很高的工作难度和环境复杂性，因此需要设计和优化高效可靠的控制系统，保证水下机器人完成各项任务。
二、控制系统设计水下机器人的控制系统由软件和硬件两部分组成。
软件部分负责控制机器人的运动、掌握深度、航速、方向和姿态控制等关键功能。
此外，软件还需要具备对机器人状态、水压、水温等数据的实时监测、反馈和报警功能。
硬件部分则负责控制机器人的执行机构，包括马达、泵、阀门、舵机等。
1. 系统架构系统架构是一项复杂的任务，需要考虑到机器人的工作性质、任务需求、现有技术和资金预算等因素。
一般来说，水下机器人的系统架构包括机械结构、传感器、计算机、执行机构和电源等部分，其中机械结构负责提供机器人的浮力和运动机构，传感器负责监测水下环境和机器人状态，计算机负责控制机器人运动和反馈控制信息，执行机构负责实现机器人运动控制，而电源则负责提供机器人的电能。
2. 系统集成在控制系统设计过程中，需要充分考虑各模块之间的兼容性和协作性。
例如，机械结构和执行机构需要和传感器、计算机等部分相互连接和协调工作。
此外，控制系统还需要通过数据总线、接口板等方式进行数据交换和协调控制。
3. 系统优化水下机器人的控制系统需要经过实际测试和验证后才能上线使用。
在工作过程中，还需要根据任务需求和环境变化来不断对控制系统进行优化，以提高机器人的性能和可靠性。
例如，可以通过改善机器人的舵机或电机性能，提高机器人的运动控制精度和稳定性，或是通过优化传感器算法，提高机器人的状态感知和反馈控制能力。
三、实验验证水下机器人的控制系统要进行实验验证，以提高其性能和可靠性。
实验验证包括模拟实验和实物实验两部分。
在模拟实验中，可以利用仿真软件模拟机器人的工作流程，验证各个控制模块之间的兼容性、协作性和控制精度等。
在实物实验中，可以利用真实的机器人模型或原型，进行机器人控制和状态监测方面的实验验证。
水下机器人控制系统设计及其仿真
水下机器人控制系统设计及其仿真随着科技的不断发展，水下机器人在深海勘探、海洋科学研究、海底资源开发等方面的应用越来越广泛。
水下机器人的控制系统是其重要的组成部分，它直接影响到水下机器人的性能和应用效果。
因此，本文将围绕水下机器人控制系统的设计及其仿真展开讨论。
一、水下机器人控制系统的组成水下机器人控制系统包括了传感器、控制器和执行器三个组成部分。
传感器负责检测水下环境和机器人内部状态，将检测的信息传输给控制器。
控制器根据传感器反馈的信息和预设的控制策略进行计算，并将计算结果发送给执行器。
执行器则负责将控制器的指令转化为物理动作，完成机器人的控制任务。
水下机器人控制系统的三个组成部分相互协调，形成一个完整的控制系统。
二、水下机器人控制系统设计流程水下机器人控制系统的设计流程包括了系统需求分析、控制策略设计、系统建模和仿真验证四个步骤。
系统需求分析是水下机器人控制系统设计的起点。
设计者需要了解水下机器人的任务、工作环境、性能要求等信息，并根据这些信息确定控制系统需求，确定传感器种类和数量、执行器种类和数量等。
控制策略设计是控制系统设计的关键环节。
设计者需要根据水下机器人的工作特点确定合适的控制策略，如PID控制、滑模控制等。
控制器的输入和输出也要在这个环节中确定。
系统建模是控制系统设计的技术基础。
设计者需要将水下机器人及其控制系统建模成动态系统。
这个建模过程需要分析控制策略和水下环境对系统的影响，并综合考虑机器人的物理特性。
仿真验证是用来验证控制系统设计是否正确的重要步骤。
仿真可以帮助设计者模拟实际场景，分析系统响应，评估系统性能和稳定性，识别潜在问题等。
三、水下机器人控制系统仿真工具水下机器人控制系统仿真需要使用合适的工具。
目前，常用的水下机器人仿真软件有Simulink、Orca3D、AutoCAD、VirtualLab等。
Simulink是一款由MathWorks公司开发的，基于模型的设计工具。
水下机器人的控制系统设计及实现
水下机器人的控制系统设计及实现第一章引言随着科技的进步，水下机器人在海洋勘探、救援、海底管道维护等领域扮演着越来越重要的角色。
而一个高效稳定的控制系统是水下机器人能够顺利完成任务的关键之一。
本文将重点介绍水下机器人控制系统的设计及实现。
第二章水下机器人的控制系统概述水下机器人的控制系统主要由感知模块、数据传输模块、控制器和执行机构四部分组成。
感知模块负责收集环境信息，数据传输模块将信息传输给控制器，控制器根据接收到的信息制定控制策略，并通过执行机构实现运动控制。
第三章感知模块设计与实现感知模块的主要任务是获取水下环境的相关信息，包括水温、水压、水质、水流速度等。
针对不同的任务需求，可以采用不同的传感器，如温度传感器、压力传感器、水质传感器和流速传感器等。
这些传感器将信息传输给控制系统的数据传输模块，为后续的控制策略制定提供准确的数据支持。
第四章数据传输模块设计与实现数据传输模块起着枢纽的作用，将感知模块收集到的信息传输给控制器，并将控制器制定的控制策略传输到执行机构。
传统的通信方式包括有线通信和无线通信，对于水下机器人而言，由于受到水的传输特性的限制，无线通信往往是首选。
可以使用声波、电磁波等方式进行数据传输，同时还需要考虑通信的稳定性和抗干扰能力。
第五章控制器设计与实现控制器是整个系统的核心，其负责根据感知模块和数据传输模块提供的信息制定控制策略，并将策略传输给执行机构。
控制器的设计主要包括传感器数据处理、控制策略制定和控制指令生成等三个方面。
其中，传感器数据处理过程中需要进行数据滤波、数据融合等处理，控制策略制定需要将感知信息与任务要求进行匹配并确定最优策略，控制指令生成则需要根据策略生成具体的指令。
第六章执行机构设计与实现执行机构主要实现控制器制定的控制策略，包括机械臂、推进器等。
机械臂用于完成需要进行物体抓取、搬运等操作的任务，推进器用于水下机器人的运动控制。
执行机构的设计和选型需要考虑机械结构的稳定性、推进力的大小和方向控制等因素。
水下机器人控制系统设计
水下机器人控制系统设计随着人类对大洋深处的兴趣不断增加，水下机器人的应用领域也越来越广泛。
它们可以进行环境监测、海底资源开发等任务，也可以用于科学探索和搜寻遗产等。
然而，水下环境的特殊性质使得水下机器人的控制系统设计变得更为复杂。
为解决这一问题，本文将从水下机器人控制系统的概念入手，介绍几种常见的水下机器人控制系统设计方法，并探究其优劣之处。
一、水下机器人控制系统的概念水下机器人是指能够在水下进行操作的机器人。
它具有自主控制、数据采集和信息处理等功能。
水下机器人的控制系统包括硬件和软件两部分。
硬件部分包括机器人结构、传感器和执行器等，用于获取环境信息和执行指令。
软件部分主要包括机器人控制算法、运动规划和路径规划等，用于实现机器人的自主控制。
二、水下机器人控制系统设计方法1. 集中式控制系统集中式控制系统是最为常见的水下机器人控制系统设计方法之一。
该系统包括一个中心控制器和多个从属执行器。
中心控制器接受传感器采集到的环境信息，根据预设的控制算法计算出机器人的移动和操作指令，将其发送给从属执行器执行。
集中式控制系统的优势在于控制系统设计简单，容易维护。
然而，它的缺点在于可靠性比较低，一旦中心控制器发生故障，则整个系统将无法正常工作。
2. 分布式控制系统分布式控制系统采用分散式的控制方式，每个执行器都具有对环境信息的采集、处理和通信等能力，用于实现自主控制。
分布式控制系统的优势在于具有较高的可靠性和鲁棒性，因为每个执行器都可以独立完成任务。
然而，它的相对复杂性也意味着需要更多的计算能力和数据传输。
3. 混合式控制系统混合式控制系统是将集中式控制系统和分布式控制系统相结合的一种系统。
该系统一般包括若干个子系统，每个子系统都具有自治性和相互独立的控制能力。
系统的整体控制由一个中心控制器完成，子系统则负责执行相应的任务。
混合式控制系统的优势在于利用了分布式和集中式控制系统的优点，可以实现更为灵活的控制。
三、结语本文简要介绍了水下机器人控制系统的概念和三种常见的控制系统设计方法。
水下机器人的设计与控制系统
水下机器人的设计与控制系统水下机器人是一种能够在水下环境中执行各种任务的机器人系统，其设计与控制系统对于保证机器人的运行稳定性、任务执行能力以及操作人员的安全至关重要。
在本文中，将会介绍水下机器人设计与控制系统的基本原理、关键技术和挑战，并探讨其应用和发展前景。
水下机器人的设计与控制系统主要包括机械结构设计、传感器系统、控制算法和通信系统等方面。
首先，机械结构设计是水下机器人的基础，需要考虑水下环境的压力、流体力学特性以及机器人的稳定性和灵活性。
通常，水下机器人采用球形或者鱼雷形状的外壳，可以减小水流对其产生的阻力，提高机器人的机动能力。
此外，机械臂的设计也是关键因素，可以完成各种操作任务，如采样、维修和搬运等。
其次，传感器系统是水下机器人的"感知器官"，能够获取周围环境信息以及机器人自身状态。
在水下环境中，由于水的压力和水流的干扰，传感器的选型和安装位置需要特别考虑。
常见的传感器包括声纳、摄像头、水质传感器、陀螺仪和加速度计等。
声纳传感器可以用于定位、避障和目标识别，摄像头则可以实现图像采集和目标跟踪等功能。
水质传感器可以监测水体的溶解氧、温度、盐度等参数，用于环境监测和资源调查。
而陀螺仪和加速度计则可以提供机器人的姿态和运动信息，用于控制算法的运算和决策。
控制算法是水下机器人设计与控制系统的核心，直接影响机器人的运动能力和任务执行效果。
在水下环境中，由于水的多样性和复杂性，控制算法需要具备一定的自主适应性和智能化。
常见的控制算法包括PID控制器、模糊控制算法、遗传算法和神经网络等。
PID控制器可以通过调节机器人的姿态和运动来实现控制目标，模糊控制算法则可以应对环境变化和不确定性。
遗传算法和神经网络则可以实现机器人的智能决策和路径规划。
除了以上几个方面，水下机器人的设计与控制系统还需要考虑通信系统的设计。
在水下环境中，由于水的吸收和散射，无线通信的可靠性和传输速率较低。
因此，水下机器人通常采用声波通信或者通过光缆进行通信。
水下机器人自主控制系统设计
水下机器人自主控制系统设计随着科技的不断发展，水下机器人在深海探测、海底资源勘探、水下修建等领域得到了越来越广泛的应用。
而要使水下机器人完成各种任务，自主控制系统是必不可少的组成部分。
本文将讨论水下机器人自主控制系统的设计与实现。
一、水下机器人自主控制的基本流程水下机器人的自主控制过程可简单分为三步：感知环节、决策环节、执行环节。
感知环节：水下机器人需要收集周围的信息，为后续的决策提供数据。
感知环节包括传感器部件的使用，如水温、水压、水流等传感器。
决策环节：水下机器人针对收到的信息进行分析和处理，并确定接下来的决策。
例如，在海洋中探测一条鱼群，水下机器人需要根据收到的传感器数据，决定接下来应该采取什么行动，如是否接近鱼群或者保持安全距离等等。
执行环节：水下机器人需要根据前面处理的信息和决策，控制水下机器人进行实际操作。
执行环节包括各种执行器的使用，如螺旋桨、机械臂等。
二、自主控制系统的设计思路针对水下机器人自主控制的基本流程，我们可以设计一个相应的自主控制系统来实现机器人的自主监测、判断、调整和执行。
在设计自主控制系统时，应该考虑以下几个因素：a. 考虑感知、决策、执行的集成成本自主控制系统需要包括传感器、控制器及执行器，因此设计一个可以减少集成成本的系统是很重要的。
b. 考虑数据的传输与处理能力传感器、控制器、执行器之间的数据传输与处理能力很重要，只有快速高效处理并传输数据才能保证机器人及时的决策和执行。
c. 考虑系统的可靠性和安全性自主控制的系统设计应该成熟、稳定、可靠、能够保证自主控制的系统操作安全。
三、自主控制系统的实现基于设计思路，我们可以设计一种自主控制系统来控制水下机器人。
主要包括上位机、下位机、执行器和传感器。
上位机主要是对水下机器人系统控制的管理器，主要负责机器人的任务调度和管理。
比如，一系列控制指令、数据采集控制、任务执行等可以通过上位机来实现，并将这些指令传输给下位机执行。
水下机器人探测和作业技术研究
水下机器人探测和作业技术研究水下机器人是近年来兴起的一种先进化技术，被广泛应用于海底石油开采、水下管线维修、水下考古与生态环境调查等领域，成为该领域中高精度探测、难以进入或无法进入的特殊应用场合的重要工具。
本文将结合水下机器人探测和作业的实际应用，阐述水下机器人的探测技术和作业技术研究。
一、水下机器人探测技术研究1.声学探测技术研究声学探测技术是水下机器人探测应用中最重要的一种技术手段，包括水下声纳、声呐等。
水下机器人探测使用声学探测技术，可以实现在未知海底区域的探测和目标定位，准确地确定目标位置和轮廓等。
近年来，随着计算机技术、传感器技术和声学探测技术的不断创新，声学探测技术在水下机器人探测中的应用越来越广泛。
在海底石油探测、管线维修、水下考古等领域中，采用声学探测技术可以提高探测和识别效率，提高水下机器人探测数据的质量和准确性。
2.电磁探测技术研究电磁探测技术是水下机器人探测的另一种技术手段，包括磁力仪、电磁探测器等。
水下机器人探测使用电磁探测技术，可以实现对水下目标的探测和定位。
电磁探测技术在水下机器人探测中的应用越来越广泛。
在管线维修、海底矿产勘探、水下考古等领域中，采用电磁探测技术可以提高探测和识别效率，提高水下机器人探测数据的质量和准确性。
与声学探测技术相比，电磁探测技术使用更加安全，并且可以在深海等特殊环境中进行探测。
3.光学探测技术研究光学探测技术是水下机器人探测的新兴技术，包括水下相机、激光测距仪等。
水下机器人探测使用光学探测技术，可以实现对水下目标的快速、准确的高清图像获取。
随着计算机技术和传感器技术的不断创新，光学探测技术在水下机器人探测中的应用越来越广泛。
在水下考古、生态环境调查等领域中，采用光学探测技术可以提高探测和识别效率，提高水下机器人探测数据的质量和准确性。
光学探测技术的主要优点在于可以实时获取高清晰度图像，并且触发采用起来更加简单快捷。
二、水下机器人作业技术研究1.运动机构技术研究包括水下机器人航行和操纵的技术、运动平台的技术和走路机构的技术等。
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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。