损伤检测与修复智能作业ROV控制系统及其控制方法

本发明涉及rov水下机器人控制，具体涉及一种损伤检测与修复智能作业rov控制系统及其控制方法。

背景技术：

1、近年来，海洋智能作业装备作为海洋能源生产、海洋资源勘查等工程的重要依托，发挥着越来越关键作用，国内水下作业机器人的理论研究和样机验证取得了长足进步，而依托水下智能作业装备独立进行海洋大型构筑物得智能检测、作业，目前仍属空白。

2、由于水下机器人的几何外形结构复杂、超长脐带缆影响、机械手运动影响、环境复杂干扰源较多、复合驱动模式等，水下机器人控制系统对于保持控制姿态的稳定性、响应的快速性，及位置的准确性等问题具有较大控制难度。

3、早期的控制方法是传统的pid控制，由于其结构简单，参数调整方便，控制效果好，在工业控制中得到了广泛的应用。但考虑到水下环境的复杂性、rov控制系统在实际应用中的不确定性和非线性，对于保持控制姿态的稳定性、响应的快速性，及位置的准确性等问题，传统的pid控制效果并不理想。同时，在rov姿态控制研究中提出了许多控制算法，如自适应控制、鲁棒控制、滑模控制和神经网络控制等。但上述智能控制方法的参数调试繁琐，分析复杂性高，适应性不强，因此在工程实践中尚未得到广泛应用。

4、因此，要兼顾完成与水面控制系统通信，水下rov状态监测，rov运动与作业控制等任务，要求损伤检测与修复智能作业rov控制系统软件的设计要兼顾实时性、通用性、可扩展性，对搭载平台智能航行与作业定位控制系统设计研发、配套深海机械手控制系统设计及硬件研发等关键问题进行研究和突破十分必要。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种损伤检测与修复智能作业rov控制系统及其控制方法，本发明能够实现水下损伤检测与修复、自动贴壁和复合驱动模式，能够大幅度的提高水下机器人的姿态稳定性、响应的速度性和采集数据的实时性。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种损伤检测与修复智能作业rov控制系统，包括：位于地面的水上控制子系统和位于水下rov机器人的水下控制子系统；

4、所述水上控制子系统用于接收工作模式的选择指令和水下控制系统采集的数据，解算转换为运动控制指令，向水下控制系统发送运动控制指令；

5、所述水下控制子系统包括数据采集单元、运动控制单元、具体执行单元和通信单元；

6、所述数据采集单元用于采集rov实时姿态及传感器原始数据；

7、所述运动控制单元用于将传感器原始数据进行融合解算得到rov实时深度值与姿态信息，通过通信单元中的tcp协议将姿态深度值传送到水上控制子系统，与水上控制子系统进行数据交互，根据水上控制子系统的运动控制指令完成相应运动控制，对预期的位置和姿态信息采用串行pid算法进行控制运算，并将运算结果发送给具体执行单元，对不同方向位置的推进器的推力值进行计算并发送至相应的推进设备；

8、所述具体执行单元用于控制水下rov机器人实现损伤检测与修复智能作业。

9、作为优选的技术方案，所述水上控制子系统包括遥控单元、上位机及显示单元；

10、所述遥控单元用于选择水下rov机器人的工作模式，根据水下控制系统采集的数据对水下rov机器人预定的位置和姿态发送至水下控制子系统；

11、所述上位机通过决策处理获得对每个推进器施加的推力值，并将每个推进器的推力值和计算出的串级pid输出值进行累加整合，得到推进器的最终推力值，将最终推力值转换成dac控制信号后发送至运动控制单元；

12、所述显示单元用于显示相关数据。

13、作为优选的技术方案，所述显示单元设有主界面、监控界面、调试界面、导航界面、状态显示界面、声呐图像界面和激光尺界面。

14、作为优选的技术方案，所述数据采集单元用于将rov实时姿态及传感器原始数据传输至运动控制单元，还实时采集执行器件的控制量与返回量；

15、所述传感器原始数据包括导航仓采集数据、位置数据和舱体内外环境数据；

16、所述rov实时姿态包括当前运动模式、当前控制量和组件状态数据；

17、所述执行器件包括：陀螺仪、深度传感器、照明灯、摄像头、声呐、惯性导航系统ins、超短基线usbl、gps、温盐深仪ctd、多普勒计程仪dvl、气压传感器、漏水检测计、凝露计、温湿度计、云台；

18、所述陀螺仪用于计算出机器人当前的航向角度、俯仰角度、横滚角度、以及机器人在空间坐标系x、y、z三个轴上的速度和角速度；

19、所述深度传感器采用压力式传感器，采集不同深度的压力值，通过压力转换计算出实际的深度，换算出当前的水深；

20、所述超短基线usbl用于通过声学测距得到水下机器人的位置信息；

21、所述多普勒计程仪dvl用于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壁面的航速和距离。

22、作为优选的技术方案，所述运动控制单元采用串级pid控制方法进行控制，以加速度和角速度控制作为内环控制，以深度、姿态角和航向角控制作为外环控制；

23、给定姿态角或深度的参考值，经外环pid控制算法计算后得到姿态角速度或加速度的参考值，经内环pid控制算法计算得到rov姿态控制输入值。

24、作为优选的技术方案，所述具体执行单元包括云台、照明灯、推进器、清理刷、射流工具、磨机、水下焊接工具和机械手。

25、作为优选的技术方案，还设有电源单元，分别与水上控制子系统和水下控制子系统进行电性连接，用于提供电源；

26、所述水上控制子系统与水下控制子系统通过脐带缆连接，所述电源单元内设有光端机，用于将脐带缆中的光信号转换成电信号。

27、本发明还提供一种损伤检测与修复智能作业rov控制方法，设有上述损伤检测与修复智能作业rov控制系统，该方法包括下述步骤：

28、水上控制子系统向水下控制子系统下发指令，并启动水下rov机器人；

29、数据采集单元采集rov实时姿态及传感器原始数据；

30、水上控制子系统接收到传感器原始数据后，与设置的预定值对比，将对比差值结合实时遥控指令，以及前进后退攀爬指令，同时下发至水下控制子系统的运动控制单元；

31、所述运动控制单元将传感器原始数据进行融合解算得到rov实时深度值与姿态信息，通过通信单元中的tcp协议将姿态深度值传送到水上控制子系统，与水上控制子系统进行数据交互；

32、所述运动控制单元接收到指令后，对指令数据进行解算，具体包括：

33、选定水下rov机器人的工作模式，对预期的位置和姿态信息采用串行pid算法进行控制运算，并将运算结果发送给具体执行单元，具体执行单元根据运算结果对水下rov机器人进行控制，实现损伤检测与修复智能作业。

34、作为优选的技术方案，所述水下rov机器人的工作模式包括自动控制模式、攀爬模式、手动模式、加锁和解锁模式；

35、在自动控制模式下，对预期的位置和姿态信息采用串级pid算法进行控制运算，并将运算结果发送给具体执行单元，由具体执行单元根据运算结果对水下rov机器人的推进器进行控制，完成对水下rov机器人的姿态和定深定高闭环控制、航向闭环控制；

36、在攀爬模式下，先向对水下rov机器人发送滚转指令，控制对水下rov机器人处于侧翻且底部正对导管架的姿态，向对水下rov机器人发送垂推指令，给对水下rov机器人的垂向推进器附加大小相等的正向推力，控制对水下rov机器人底部的履带贴合在导管架上，将正向推力锁定不变，将对水下rov机器人工作模式切换为攀爬模式；分别向对水下rov机器人的左右履带发送推力指令，实现rov在结构物表面进行巡航、转弯运动，采集壁面的图像信息，检测并识别损伤处，控制具体执行单元进行修复作业；

37、在手动模式下，主操作手柄控制上位机向水下机器人发送下潜、上浮、平动、左转、右转、前进或后退指令信息后，通过决策处理获得对每个推进器施加的推力值，并将每个推进器的推力值和计算出的串级pid输出值进行累加整合，得到推进器的最终推力值，将最终推力值转换成dac控制信号后发送给运动控制单元，通过d/a转换模块将dac控制信号转换成电压值，运动控制单元根据电压值控制具体执行单元工作；

38、在加锁和解锁模式下，水下rov机器人处于加锁和解锁控制状态。

39、作为优选的技术方案，姿态和定深定高闭环控制的具体过程为：

40、外环对水下rov机器人的姿态角和水深进行pid运算，分别得出姿态角的pid值、水深的pid值；

41、内环对水下rov机器人运动的加速度进行控制，得到加速度的pid值；

42、对水下rov机器人的每个垂直推进器在实现俯仰角、横滚角、水深动作时的推力方向进行判断，并根据判断结果在姿态角的pid值、水深的pid值前添加正号或负号；

43、将添加了正号或负号的三项pid值累加整合到推进器上，得到每个推进器的pid输出值；

44、航向闭环控制的具体过程为：

45、外环对水下rov机器人的航向角进行pid运算，得到航向角pid值；

46、内环对水下rov机器人的偏航角速度进行控制，得到航向角速度pid值；

47、对水下rov机器人的每个水平推进器在实现航向角动作时的推力方向进行判断，并根据判断结果在航向角pid值前添加正号或负号；

48、将添加了正号或负号的航向角pid值累加整合到推进器上，得到每个推进器的pid输出值。

49、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

50、(1)本发明采用了串级pid控制方法，该控制算法通过构造2个闭环回路，分以加速度和角速度控制作为系统的内环控制，深度和姿态角控制作为系统的外环控制，解决了水下复杂环境中rov运动控制问题，达到角度与深度的快速响应和角速度与加速度精确控制的目的；此外，使用串级pid控制不仅能够实现具有更好的灵活性和更高的控制精度，而且没有增加任何传感器，更为充分地应用了已有的硬件条件，没有增加任何设计成本。

51、(2)本发明的水下rov机器人的工作模式包括自动控制模式、攀爬模式、手动模式、加锁和解锁模式，能够多模式快速、准确响应水上控制系统下发的航姿控制指令，执行前进、后退、左转、右转、左移、右移、上浮、下潜动作，有效增加了控制系统的响应速度和操纵性能。

52、(3)本发明的显示单元设有主界面、监控界面、调试界面、导航界面、状态显示界面、声呐图像界面和激光尺界面，该七大界面相互独立，有着低耦合、高集成、功能全面的特点。

53、(4)本发明应用jetson xavie嵌入式实时操作系统，使用aarch64架构，其高性能保证了rov多任务的实时处理，远程服务管理是在jetson xavier上搭建vnc服务器，能允许其他设备通过网络访问jetson的linux图形界面进行远程工作。

54、(5)本发明选用archiconda或virtualenv工具创建虚拟环境，管理不同深度学习框架不同版本的工程依赖，其开发环境以及系统环境的稳定性强，扩展性强，智能性强。