深海作業機器人電動系纜管理系統及其控制研究

杜凱冰，劉浩平，田招招，彭 勃，秦建輝

（1. 株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2. 英國SMD 公司，紐卡斯爾 NE28 6UZ）

0 引言

海洋中蘊藏著豐富的資源，合理開發與利用海洋資源有助于人類社會可持續發展。水下機器人在幫助人類進行地質勘探、資源開發以及海洋管道與線纜鋪設等方面發揮著重要作用。當前，各種功率等級的作業型深海機器人廣泛應用在深海油氣資源開發、水下探測與設備維護等領域［1-3］。有纜遙控作業機器人（remotely operated vehicle， ROV）是當前常用的深海作業機器人，其通過纜與工作母船連接，工作人員可在工作母船上對其進行操作控制。

纜是連接水面作業平臺與水下作業ROV 之間的重要紐帶，其主要傳送電能、控制指令和傳感器數據等，在深海作業ROV系統中發揮著重要作用［4-6］。ROV在海洋作業時會受到海流等復雜海洋環境的影響，作業環境較為惡劣， 導致纜在工作過程中受到復雜載荷環境作用［7-8］。系纜收放技術是深海有纜機器人的關鍵技術之一［9-12］，可以減小水面作業船對ROV 運動的影響，調控ROV 在水下運動范圍，確保系纜能正確地繞組并避免系纜的纏結。因此，利用系纜管理系統合理規劃設計系纜的收放，對于提高ROV系統的工作效率與穩定性起著重要作用。

本文基于作業級ROV載體，研究設計一種水下有纜遙控機器人電動系纜管理系統。該系統以永磁電機作為動力執行單元；并設計了水面-水下控制系統及系纜收放控制方法，對處在滾筒不同層數系纜的力矩與速度做了動態控制，使滾筒內層的纜不會產生過大的張力，實現低張力纏繞。通過將電動系纜管理系統（tether management system，TMS）與實物ROV 配合進行功能實驗，驗證了該系統能很好地滿足產品應用要求。

1 深海作業ROV系統

整個深海機器人作業系統包括控制艙、布放裝置、ROV 與TMS。圖1 所示為深海作業機器人ROV-TMS系統示意圖，作業船舶上有控制艙、布放裝置，工作人員在船上的控制艙內操作，相關操作以控制指令形式通過纜傳送到水下ROV，從而實現在水面控制水下ROV運動的目的。

圖1 深海作業ROV-TMS 系統示意Fig.1 Working-class ROV-TMS system

ROV 與TMS 在水下工作，其中ROV 是具體的執行單元，其可以攜帶機械臂等其他輔助工作單元，根據操作者的操作指令完成海洋作業［4］。

TMS用于管理ROV的系纜聯結，確保系纜的正確繞組并避免纏結。TMS 使ROV 運動更具機動性，并可以在不移動船只或其他平臺的情況下增加ROV 運動范圍。

2 電動系纜管理系統

本文研究的電動TMS是用于ROV系統的新一代系纜管理系統，與傳統的以液壓系統作為動力執行單元的TMS 不同，該系統以永磁電機作為動力執行單元。

圖2 為該系纜管理系統原理圖，其由滾筒、滑動輪、水平往復絞線器、電機與驅動器、電源、控制器等組成。驅動器內置在與永磁電機相連的充油外殼中，將驅動器靠近電機布置可最大限度地減小信號傳輸干擾/延遲。

圖2 電動TMS 原理Fig.2 Principle of the electric tether management system

滾筒直接由電機驅動，滑動輪也由電機驅動。滾筒通過鏈傳動控制水平往復絞線器運動來確保滾筒與絞線器的運動是同步的。TMS控制系統通過調控滾筒電機與滑動輪電機的協同運動，使ROV適應復雜多變的海洋環境與系纜頻繁收放的張力調節。電動TMS具體參數詳見表1。

表1 電動TMS 參數Tab.1 Parameters of the electric tether management system

滾筒的驅動力矩和速度一方面受到電機性能的影響，另一方面也受到系纜在滾筒上所處層數的限制，這樣可以避免系纜在滾筒上產生過大的扭矩/張力。因此，在電機功率范圍內，處在滾筒內層的系纜將比外層系纜以更大的速度運動。

3 電動TMS控制系統

3.1 控制原理

圖3 為電動TMS 的控制系統，其主要由水面控制系統與水下控制系統兩部分組成。水面控制系統位于控制箱內。其由PLC 及相關控制系統組成，主要有人機界面操作功能、水下圖形場景顯示功能等。PLC控制系統基于Ethernet 與水下運動控制器通信，接收用戶的操作命令（遙控指令、控制信號、參數配置等）并通過系纜傳送到水下運動控制器；與此同時，水下運動控制器將各電機的狀態、傳感器信號及自身狀態等信息通過系纜回傳給水面PLC控制系統。

圖3 電動TMS 水面-水下控制系統Fig.3 The surface-underwater control system for the electric TMS

水下運動控制器根據當前控制周期的指令設定值與來自傳感器的實際反饋值，計算出各控制電機的目標電流（或力矩），并發出新的控制指令到各電機控制器，其詳細控制邏輯見圖4。在獲取來自水面傳遞下來的TMS 工況和手柄級位信息后，滾筒控制指令計算單元判斷系纜當前所處滾筒層數并確定對應的轉矩/速度限制，根據受控滾筒與受控電機參數計算出電流設定值；然后針對電流設定值與實際電流之間的差，利用PID 控制器進行調節，發出目標電流控制指令，控制滾筒電機運動，進而控制系纜在滾筒上的運動。

圖4 TMS 運動控制邏輯Fig.4 TMS motion control principal structure

在控制滾筒與滑動輪運動的同時，滾筒控制指令計算單元還結合滾筒與滑動輪的實際轉速、滾筒參數與系纜直徑等，計算系纜當前所處層數以及已經放出的系纜長度。

操作人員在水面控制機器人在水下的運動。為了使機器人運動安全穩定，TMS控制系統對來自操作控制桿的手柄級位信息有著嚴格的要求，詳見圖5。為了防止系纜工作狀態受到操縱桿非正常擾動的影響，控制系統對控制桿的輸入進行了多重校驗，直到最后輸出手柄控制指令。操縱桿手柄控制指令以百分比的形式輸入。為防止誤觸動或者其他原因帶來的擾動，設置手柄級位限幅值。如果輸入小于設置的限幅值，手柄級位輸入強制置0；如果大于設置的限幅值，手柄級位輸入則進入下一步。此外，為了滿足不同操縱者的靈敏度控制要求，根據操作者習慣設定靈敏度，靈敏度參數最大值為100%，小于該值表示降低操縱手柄的靈敏度。操作者的手柄級位信息在經過手柄級位限幅控制、靈敏度控制后，輸出為最終的滾筒電機目標級位信息。

圖5 操縱桿手柄指令控制Fig.5 Control commands of joystick

3.2 典型控制模式

在ROV深海航行與作業期間，TMS需要隨時根據ROV的運動情況對系纜進行調節控制，既要確保ROV不會被TMS拖拉而影響作業，也不宜放出過長的系纜導致ROV被纏繞。

在實際工作過程中，為了防止系纜過緊或者過松對ROV 運動產生影響，針對系纜處在滾筒不同層數，對滾筒的最大力矩限制與最高速度限制進行動態調節，以避免內層系纜在纏繞滾筒的過程中產生較大的張力，實現低張力纏繞，即層數越小的，力矩應盡可能越小。圖6為典型的系纜層數與最大力矩/最高速度的關系圖，處在層數1、2 的系纜最大力矩要小于處在層數4、5系纜的，處在層數1、2的系纜最高速度要大于處在層數4、5系纜的。

圖6 系纜層數與最大力矩/最高速度的關系Fig.6 Relationship between tether layers and the maximum torque or the maximum speed

系纜管理系統在ROV 工作時的典型工作模式有放纜和收纜兩種，在不同工作模式下，滾筒與滑動輪二者之間均需協同運動，以控制系纜運動，進而控制系纜的放出與回收。

3.2.1 放纜模式

當TMS工作在放纜模式（如ROV需要下潛時）且系纜不受其他負載作用時，TMS上的滾筒與滑動輪之間運動關系如圖7所示。TMS運行在放纜模式，滑動輪工作轉矩設定為T2（逆時針方向），先啟動滑動輪，滑動輪以速度V2逆時針轉動，讓滑動輪轉矩以一定加速度逐漸增加到工作轉矩T2。放纜時，滾筒工作在速度控制模式，滾筒啟動時受到摩擦力矩Tf、慣性力矩TIn和來自滑動輪的力矩-T2的綜合作用（即施加在滾筒上的扭矩為Tf-T2+TIn），以速度V1沿著順時針方向運動。在該過程中限制滾筒的最大運行速度，一旦達到滾筒目標轉速后，施加在滾筒上的扭矩調整到Tf-T2，在這個過程中系纜平穩離開滾筒，然后通過滑動輪被放下來。

圖7 放纜運行原理Fig.7 Principle of pay-out motion

3.2.2 收纜模式

當TMS工作在收纜模式（如ROV需上升時）且不受其他負載作用時，TMS上的滾筒與滑動輪之間運動關系如圖8所示。TMS運行在收纜模式，滑動輪工作力矩設定為T2（逆時針方向），先啟動滑動輪，滑動輪以速度V2順時針轉動，讓滑動輪轉矩以一定加速度逐漸增加到工作轉矩T2。收纜時，滾筒工作在速度控制模式，滾筒啟動時受到摩擦力矩Tf、慣性力矩TIn與來自滑動輪的力矩T2綜合作用，即Tf+T2+TIn，滾筒以速度V1沿著逆時針方向運動。在該過程中限制滾筒的最大運行速度，一旦達到滾筒目標轉速后，施加在滾筒上的扭矩調整到Tf+T2，在這個過程中系纜先經過滑動輪，然后平穩纏繞在滾筒上。

圖8 收攬運行原理Fig.8 Principle of pick-up motion

4 功能測試

為了測試該電動TMS是否滿足實際應用要求，將電動TMS 與ROV 連接，在專用測試水池對電動TMS與ROV系統進行了功能測試。水面控制系統發控制指令到水下控制器，纜根據設計目標在滾筒和滑動輪之間按照設計的控制邏輯運動，并且人機交互界面實時顯示纜當前所處層數與已放出纜的長度信息。當放出的纜長度大于700 m時，能正常提示“滑動輪上的系纜即將接近第1層”。處在滾筒不同層數的纜能按照限定的最大速度與最大力矩范圍纏繞在滾筒上或者從滾筒上繞出，能正常配合ROV 工作開展水下作業。實驗結果表明，該電動TMS 水面-水下控制系統滿足放纜與收攬應用要求。

5 結束語

為了提高深海有纜作業機器人系統的工作效率與穩定性，本文提出了一種電動系纜管理系統，該系統由滾筒、滑動輪、電機及驅動器等組成； 并結合系纜管理系統實際工作要求，設計了TMS 水面-水下控制系統及其邏輯控制方法，通過限定不同層數系纜的最大力矩與最高速度以及控制系纜伸縮和滾筒速度，實現了系纜的低張力纏繞。通過專用測試水池對該電動系纜管理系統與ROV 系統進行了實物連接測試，結果表明，該電動系纜管理系統對系纜收放調控能滿足ROV水下運動的應用要求。