張瑋康，王冠學，徐國華，劉暢，申雄

1華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

2武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430205

腹部作業(yè)型水下機器人控制系統(tǒng)研制

張瑋康1，王冠學1，徐國華1，劉暢1，申雄2

1華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

2武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430205

［目的］針對無人水下機器人（UUV）的回收任務要求，研制開發(fā)一臺新式腹部作業(yè)型水下遙控機器人（ROV）。腹部作業(yè)型ROV不同于一般依賴機械手作業(yè)的傳統(tǒng)ROV，其通過腹部作業(yè)機構完成與UUV的水下對接及回收。［方法］介紹腹部作業(yè)型ROV的系統(tǒng)組成及原理，提出一種以一體化工業(yè)加固計算機為水面監(jiān)控單元，PC104嵌入式工業(yè)控制計算機為水下主控單元，各驅動板為驅動單元的控制系統(tǒng)架構。同時建立腹部作業(yè)型ROV的動力學模型，并設計水平面定向控制的H∞魯棒控制器。［結果］單項試驗、系統(tǒng)聯(lián)調及水池試驗表明，腹部作業(yè)型ROV控制系統(tǒng)具有良好的實時性和可靠性，能夠滿足UUV回收任務的要求。［結論］該架構和算法對于其他移動機器人、無人機、仿生機器人的控制系統(tǒng)開發(fā)均具有參考意義。

腹部作業(yè)型水下遙控機器人；控制系統(tǒng)；PC104；H∞魯棒控制

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟、科技的發(fā)展，人類加快了對海洋資源的開發(fā)步伐。為了提高海洋資源的開發(fā)能力，堅決維護國家海洋權益，建設海洋強國，必須大力發(fā)展我國海洋技術，特別是深海探測、運載及作業(yè)技術［1］。

水下機器人是海洋資源勘探和開發(fā)的重要工具之一，根據(jù)其載人與否又可分為無人水下機器人（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）和載人水下機器人（Human Occupied Vehicle，HOV）。而UUV又可根據(jù)其控制方式主要分為有纜遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle，ROV）和無纜自治水下機器人（AutonomousUnderwaterVehicle，AUV）2個大類［2］。近年來，UUV廣泛應用于海洋探測、開發(fā)、搜救等領域，比較典型的有“藍鰭金槍魚”號執(zhí)行了尋找馬航殘骸的任務［3］。

雖然目前各國的UUV技術已較上個世紀取得了長足的發(fā)展，但是針對水下復雜多變的環(huán)境以及無纜型UUV動力受限、控制復雜等現(xiàn)狀，UUV的回收成為必須解決的難題［4-6］。目前，國內(nèi)外用于對接及回收UUV的腹部作業(yè)水下機器人的作業(yè)方式主要為多機械手協(xié)同抓取或液壓U型架夾持，這些方式存在控制難度高、體積大、易造成海洋環(huán)境污染等缺點［7-8］。本文將研究的腹部作業(yè)型水下遙控機器人（簡稱“腹部作業(yè)型ROV”）是利用帶導向筒的電驅動腹部作業(yè)機構對UUV對接桿進行導向和鎖緊，并最終完成UUV的捕獲和回收的新型腹部作業(yè)型ROV，其腹部作業(yè)機構存在體積小、污染低、功耗低等優(yōu)點?？刂葡到y(tǒng)的可靠性能是腹部作業(yè)型ROV完成指定任務的前提和保障。

1 腹部作業(yè)型ROV系統(tǒng)組成

腹部作業(yè)型ROV系統(tǒng)總體上分為3個組成部分：水面監(jiān)控臺、臍帶纜和ROV本體。系統(tǒng)總體技術指標如表1所示，總體結構如圖1所示，ROV本體設備布置如圖2所示。

腹部作業(yè)型ROV在進行UUV捕獲回收作業(yè)任務時，操作人員首先根據(jù)水面監(jiān)控計算機顯示的水下攝像頭的視頻信息操作手操盒，經(jīng)由水面監(jiān)控軟件處理后發(fā)送給水下控制器，進而驅動ROV本體運動，從而尋找并接近UUV；當ROV靠近UUV時，通過旋轉攝像頭尋找UUV底部伸出的對接桿；操作ROV使對接桿插入ROV浮力材中央的腹部作業(yè)機構錐形導向筒，同時操作腹部作業(yè)機構電動推桿（位于ROV艉部中線），使其伸進UUV對接桿鎖緊孔，從而完成UUV的捕獲和對接任務，對接過程示意圖如圖3～圖4所示。

2 控制系統(tǒng)結構

腹部作業(yè)型ROV控制系統(tǒng)結構如圖5所示，主要分為水面集控臺和水下控制器2大部分，二者直接通過零浮力臍帶纜進行數(shù)據(jù)通信、視頻信號傳輸及電力傳遞。

2.1 水面集控臺

水面集控臺由手操盒、水面監(jiān)控計算機、水面直流穩(wěn)壓電源組成，其組成框圖如圖6所示。

手操盒由三軸操縱桿、按鈕、信號處理板、USB4716采集模塊組成。其中信號處理板將輸入的DC 26 V電源轉換為DC 5 V，進而給操縱桿、按鈕等供電并轉換為USB4716采集卡輸入范圍內(nèi)的模擬和數(shù)字信號；USB4716則將采集的信號通過USB總線發(fā)送給水面監(jiān)控計算機。水面監(jiān)控計算機為研華一體化工業(yè)加固計算機，主要由基本板卡、視頻采集卡及多串口卡組成，其中視頻采集卡采集水下攝像機傳回的視頻信號，多串口卡則提供RS485串口進而與水下主控制器通信。

為提供良好的可視化人機界面，水面監(jiān)控軟件基于VC++6.0開發(fā)，運行于Windows XP操作系統(tǒng)，其運行界面如圖7所示，模塊組成框圖如圖8所示。

水面監(jiān)控軟件界面的左側為腹部ROV攝像機傳回的實時視頻圖像，右側則為當前ROV工作狀態(tài)信息，如與手操盒、水下主控制器、主推驅動板（PWM板1）、側推驅動板（PWM板2）的通信狀態(tài)以及水下主控制器控制艙漏水檢測狀態(tài)與ROV當前的深度、航向、縱傾和橫傾。水面監(jiān)控軟件布局簡潔明了，具備良好的可操作性。

水面穩(wěn)壓電源選用朝陽QT30型定制電源，為了保證動力電源和控制電源的可靠隔離，選用兩路輸出，經(jīng)過負載功率計算，最終選擇動力電源輸出為DC 260 V/3 000 W，控制電源為DC 26 V/100 W。其中動力電源輸出作為水下推進器、電動推桿、照明燈等設備的主電源，控制電源輸出則作為水下控制器各電路板、水下攝像機及云臺的供電電源。

2.2 水下控制器

水下控制器安裝于外形結構為圓筒型水密耐壓殼體的控制艙中（圖9）。控制艙整體外形呈圓柱形，長350 mm，直徑198 mm，厚9 mm，排水量為10.77 kg，兩端是具有O型密封圈的端蓋，端蓋外表面安裝有水密接插件，建立水下控制器與外部設備之間的連接。水下控制器硬件結構圖如圖10所示［9］。

水下主控單元為PC104嵌入式工業(yè)控制計算機，由4塊堆棧式模塊通過PC104總線互聯(lián)組成。水下主控單元是控制系統(tǒng)的控制中樞，其軟件模塊組成如圖11所示。水下主控單元負責接收水面監(jiān)控計算機發(fā)送的指令，進行綜合處理及解算后，按照一定的時序分發(fā)給各驅動板，同時采集并處理來自航姿儀和各驅動板反饋的狀態(tài)信息，集中發(fā)送至水面監(jiān)控計算機。

驅動單元由主推驅動板、側推驅動板及隔離驅動板組成，驅動單元作為水下主控單元與外接執(zhí)行機構的橋梁，主要作用是保證水下主控單元與執(zhí)行機構間的電氣隔離，降低執(zhí)行機構對水下主控單元的電磁干擾。

3 動力學建模

3.1 六自由度空間運動方程

考慮水下機器人重心G與載體坐標系原點O不重合的一般情況，根據(jù)剛體平移運動及旋轉運動的關系，可得水下機器人六自由度運動方程的一般形式［10］：

式中：m為水下機器人的質量；xG，yG，zG為水下機器人重心在載體坐標系下的坐標；Ix，Iy，Iz為水下機器人對x，y，z軸的轉動慣量；N為ROV轉向時所受的合力矩；r為轉向角速度；其余各變量的具體含義可查閱文獻［10］。

對于ROV，其運動控制一般以遙控模式為主，輔之以自動定深和自動定向控制。故針對本文研究的腹部作業(yè)型ROV，可分離出水平面動力學方程及垂直面動力學方程，進而對自動定向控制和自動定深控制進行建模及控制器設計，二者研究方法相似。限于篇幅，本文僅對水平面動力學方程及自動定向控制進行研究。

3.2 水平面動力學方程

對于腹部作業(yè)型ROV，其浮力材料位于機器人本體的上部，通過調節(jié)配重，可使其在水下工作時處于接近零浮力的狀態(tài)。通過SolidWorks2012三維建模軟件，可計算得到其浮心與重心基本在一條鉛垂線上，且浮心的位置比重心高105.280 mm，可保證其擁有較大的回復力矩，故其在縱傾和橫傾自由度上具有較強的自穩(wěn)定性，在分析水平面運動方程時，可以忽略與其相互垂直的平面間的運動耦合，以簡化問題。故可分離得到其水平面運動方程為：

本文將載體坐標系原點與水下機器人重心重合，即 xG=yG=zG=0，則水平面運動方程進一步簡化為：

3.3 定向控制傳遞函數(shù)

對于ROV的定向控制，其控制框圖如圖12所示［11］。圖中：ψref為給定航向角；e為航向角偏差；n為推進器轉速；Tpro為推進器產(chǎn)生的推力矩；ψ為ROV的航向角。

首先，重點分析式（12）。對于水下機器人，其轉向時所受的合力矩為

式中：FN為附加轉動慣量產(chǎn)生的慣性力矩；RN為所受的阻力產(chǎn)生的阻力矩。由文獻［11-12］知：

式中：Nr˙為附加質量；Nr為水下機器人轉艏運動的阻力系數(shù)；ρ為水的密度；S為等效面積。

聯(lián)立式（13）～式（15），得

考慮到腹部作業(yè)型ROV在自動定向時的角速度較小，故可將 r2在 r=0處泰勒展開，于是式（16）可簡化為

式（17）表示了ROV航向角和推進器推力矩的直接關系，對其進行拉普拉斯變換，可得如下傳遞函數(shù)：

由于推進器采用無刷直流電機，其動態(tài)特性可簡化為慣性環(huán)節(jié)，將控制信號uc進行歸一化，可得傳遞函數(shù)

式中：T為電機的時間常數(shù)；Km為電機的放大系數(shù)。

推進器模型的精度越高，越有利于最終控制精度的提升，但是精確建模的成本也相對較高。在一般低速水下機器人的應用中，通常假設推進器模型是線性的，且前進和后退的推力對稱相等。而且在本文的定向控制策略中，2臺主推的給定速度大小始終相同，方向始終相反，進而形成一對力偶以提供轉向力矩。于是，可得推進器產(chǎn)生的推力矩與轉速間的線性化方程

式中，C為推進器的推力矩系數(shù)。故推進器的傳遞函數(shù)如下：

聯(lián)立式（18）～式（21），可得被控對象的開環(huán)傳遞函數(shù)為

對于水動力系數(shù)，借鑒其他類似開架式水下機器人，可取 Nr˙=0.3Iz，Nr=0.2［12］。對于 Iz，運用SolidWorks2012三維建模軟件中的質量屬性可求得 Iz=3.05 kg·m2。對于推進器的電機常數(shù)，由于其額定轉速為2 000 r/min，即33.33 s-1，故根據(jù)放大系數(shù)的定義可取Km=33.33；對于T，通過測量和估算可得T約為1.16，不失一般性可取T= 1.2。對于系數(shù)C，考慮到推進器額定轉速下的推力為25 kgf（245.2 N），且2臺主推進器中軸線距離為0.296 m，可求得系數(shù)C=25×9.8×0.296/33.33= 2.176。

代入相關系數(shù)后，得

4 定向控制器設計

4.1 控制算法選擇

ROV的自動定向控制方法有很多種，常見的有PID控制、模糊控制和滑模變結構控制等，每種方法都有各自的優(yōu)缺點。針對本文所研究的腹部作業(yè)型ROV，由于腹部作業(yè)機構的存在，使其整體外形不同于一般的開架式ROV。受試驗經(jīng)費和試驗條件的限制，難以獲取腹部作業(yè)型ROV的精確水動力學系數(shù)，故3.3節(jié)中得到的定向控制開環(huán)傳遞函數(shù)中的各項系數(shù)與真實值存在一定的攝動。為了保證自動定向控制器的魯棒性，本文采用對參數(shù)攝動不敏感的基于混合靈敏度的H∞魯棒控制器作為自動定向控制器。

4.2 H∞魯棒控制器設計

首先將圖12中的自動定向控制框圖轉換為基于混合靈敏度的 H∞控制問題的結構框圖，如圖13所示。圖中：K（s）為定向控制器；Gk(s)為對象傳遞函數(shù)；W1(s)，W2(s)，W3(s)為加權函數(shù)；rref為參考輸入（即給定航向角）；y為量測輸出（即航姿儀測得航向角）；z1，z2，z3為加權后的評價輸出。

基于混合靈敏度的H∞控制問題的核心在于求解控制器K（s），使其在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，式（24）所示的 H∞范數(shù)盡可能最小，或小于某一定值γ。

W1(s)的選取由系統(tǒng)的性能要求決定，對于水下機器人，其參考輸入信號和外界干擾通常為低頻。為保證系統(tǒng)更精確地跟蹤參考輸入信號，應使W1(s)具備高增益低通特性。W2(s)通常選取為常數(shù)，用于對控制器輸出進行限幅。本文ROV中的執(zhí)行機構主推進器速度存在上限，在3.3節(jié)的建模過程中已將控制器輸出 uc進行歸一化，即uc∈[-1，1]，故在選擇W2(s)時必須保證控制器的輸出滿足 -1≤uc≤1這一限定條件。W3(s)的選取由傳感器測量噪聲及系統(tǒng)高頻未建模動態(tài)特性決定，為了抑制測量噪聲對系統(tǒng)性能的影響，W3(s)應具備高通特性［13］。

式（24）的解法主要為Ricaati方程求解法和線性矩陣不等式（LMI）法，由于LMI法的正則約束條件較少，本文選用LMI法求解式（24），以得到滿足條件的 H∞魯棒控制器K（s）。通過在仿真軟件Matlab中多次調試并觀察系統(tǒng)階躍響應及控制器的輸出，最終確定加權函數(shù)的選擇為：

經(jīng)多次迭代求解得到的H∞魯棒控制器為

同時得到的γ值為1.561，可以看出，求解得到的控制器為4階控制器。

5 仿真及試驗

5.1 數(shù)字仿真

首先，以式（23）求得的開環(huán)傳遞函數(shù)作為標稱模型，在Simulink中搭建仿真環(huán)境進行數(shù)字仿真，將H∞魯棒控制器、常規(guī)PID控制器及模糊控制器的階躍響應進行對比，如圖14所示。從圖14中可以看出，相對于常規(guī)PID控制器和模糊控制器，采用H∞魯棒控制器的響應時間更短，而且?guī)缀鯚o超調。

考慮在式（23）的開環(huán)傳遞函數(shù)推導過程中，腹部作業(yè)型ROV繞z軸的轉動慣量 Iz由Solid?works軟件計算所得，假設其與實際值存在一定的偏差，同時在作業(yè)過程中，由于腹部作業(yè)機構電動推桿的位移變化也會引起Iz的變化，故將 Iz增大20%。此時被控對象的傳遞函數(shù)會發(fā)生變化，在控制器不變的情況下，模型發(fā)生變化時的階躍響應對比如圖15所示。對比圖14和圖15可得，轉動慣量增大20%后H∞魯棒控制器的響應時間有所增加，但其超調量仍明顯小于PID控制器，響應時間則明顯優(yōu)于模糊控制器。

在轉動慣量Iz增大20%的基礎上，再考慮電機時間常數(shù)隨水下環(huán)境變化存在一定的偏差，不妨將時間常數(shù)T縮小20%，即T=0.96。被控對象模型再次改變時，在控制器不變的情況下，階躍響應對比如圖16所示。

最后，考慮到未來的二期項目，若經(jīng)費充足，腹部作業(yè)型ROV存在進行海洋環(huán)境下試驗的可能性。在控制系統(tǒng)仿真中加入環(huán)境擾動，即在圖16的條件中增加海流干擾項，測試控制器在海流干擾下的魯棒性。不失一般性，假設海流與ROV的相對流速為1 kn，階躍響應對比如圖17所示。

對比圖14～圖16可以看出，在腹部作業(yè)型ROV定向控制模型存在一定參數(shù)攝動的情況下，采用H∞魯棒控制器的階躍響應效果始終優(yōu)于常規(guī)PID控制器和模糊控制器，且始終無明顯超調，無振蕩，具有較強的魯棒性。增加海流擾動后，采用H∞魯棒控制器的階躍響應雖出現(xiàn)輕微超調和振蕩，但是其綜合性能仍然明顯優(yōu)于PID控制器和模糊控制器。

5.2 調試及試驗

1）通信單項試驗。因控制系統(tǒng)在一個控制周期內(nèi)要完成與航姿儀、水面監(jiān)控計算機、主推驅動板及側推驅動板的RS485串口通信，必須通過試驗確定合適的控制周期和通信波特率。最初確定的控制周期為200 ms，除航姿儀通信波特率為19 200 bit/s外，其余三者的波特率均為9 600 bit/s。為了提高控制系統(tǒng)的實時性，縮短控制周期，將水面監(jiān)控計算機、主推驅動板、側推驅動板與PC104嵌入式工控機的通信波特率均改為38 400 bit/s，航姿儀通信波特率不變，但是有效數(shù)據(jù)刷新周期改為100 ms。采取上述措施后，控制周期縮短為100 ms，較最初縮短50%，如表2所示。

2）系統(tǒng)聯(lián)調試驗。此項試驗主要是在實驗室環(huán)境下，將腹部作業(yè)型ROV的設備集成后進行聯(lián)合調試。經(jīng)測試，控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。

3）對接及回收任務水池試驗。因項目進度要求，現(xiàn)階段的水池試驗以遙控模式下的UUV搜尋、對接及回收試驗為主，同時進行一定的自動定深/定向試驗研究。經(jīng)多次水池試驗的經(jīng)驗積累，目前操作人員通過觀察水面監(jiān)控軟件視頻顯示界面，已能順利完成UUV的搜尋、對接及回收任務（圖18～圖19），試驗記錄如表3所示，受試驗條件限制，最大僅模擬1 kn水流。由于腹部作業(yè)型ROV具有良好的水平面運動能力，即使初始艏向角偏差較大，對接回收的成功率仍可達90%，滿足項目需要。

4）自動定向試驗?，F(xiàn)階段以全流程人工回收試驗為主，通過不斷摸索提高操作人員的熟練度。同時，輔之以少量的自動定向控制試驗研究，為后期的二期改造項目中基于視覺的自主對接回收作業(yè)課題打下基礎。由設定初始艏向夾角為90°時的腹部作業(yè)機器人自動定向試驗結果（圖20）可以看出，自動定向試驗過程中艏向角幾乎無超調，僅存在輕微抖動，整體上升平滑，控制效果良好。

6 結 語

本文介紹了一種新型腹部作業(yè)型ROV的系統(tǒng)組成及作業(yè)特點，并針對控制系統(tǒng)的硬件架構和軟件架構進行了詳述。通過對水下機器人六自由度空間運動方程進行簡化，得到水平面自動定向控制傳遞函數(shù)，并設計了基于混合靈敏度的H∞魯棒自動定向控制器。仿真結果表明，相比傳統(tǒng)的PID控制器，H∞魯棒自動定向控制器具備更好的靜、動態(tài)性能，在參數(shù)存在一定攝動的情況下仍表現(xiàn)出良好的魯棒性。本文提出的軟硬件設計架構和控制算法對于其他移動機器人、無人機、仿生機器人的控制系統(tǒng)開發(fā)均具有參考意義。目前，腹部作業(yè)型ROV已完成遙控模式下的各項功能開發(fā)、對接、回收任務以及一定的自動控制試驗，在后期的二期項目中將進行基于視覺的自主作業(yè)等試驗課題研究。

［1］ 徐鵬飛，馬利斌，王磊.“海箏II型”遙控自治水下機器人的研制與應用［J］.中國科技成果，2012（20）：36-39.

XU P F，MA L B，WANG L.Development and applica?tion of“SeaKite-Ⅱ”autonomous and remotely-operat?ed vehicle［J］.China Science and Technology Achieve?ments，2012（20）：36-39（in Chinese）.

［2］ 王瑤，徐鵬飛，胡震.“海箏Ⅱ型”遙控自治水下機器人的運動控制研究［J］.艦船電子工程，2014，34（3）：56-60.

WANG Y，XU P F，HU Z.Motion control of“Seak?ite-Ⅱ ”autonomous and remotely-operated vehicle［J］.Ship Electronic Engineering，2014，34（3）：56-60（in Chinese）.

［3］ 張艷艷.自主式水下航行器的概念及技術發(fā)展——從“藍鰭金槍魚-21”談起［J］.中國科技術語，2014（增刊1）：131-133.

ZHANG Y Y.The concept and technology development of autonomous underwater vehicle technology-taking“Bluefin-21”as an example［J］.China Terminology，2014（Supp 1）：131-133（in Chinese）.

［4］ PYLE D，GRANGER R，GEOGHEGAN B，et al.Le?veraging a large UUV platform with a docking station to enable forward basing and persistence for light weight AUVs［C］//Proceedings of 2012 Oceans.Hampton Roads，VA：IEEE，2012：1-8.

［5］ HARDY T，BARLOW G.Unmanned Underwater Vehi?cle（UUV）deployment and retrieval considerations for submarines［C］//International Naval Engineering Con?ference and Exhibition 2008.Hamburg，Germany：INEC，2008.

［6］ RENILSON M.A simplified concept for recovering a UUV to a submarine［J］.Underwater Technology，2014，32（3）：193-197.

［7］ 戴學豐，邊信黔，施小成.多臂水下機器人對接作業(yè)控制［J］.哈爾濱工程大學學報，2001，22（6）：9-11.

DAI X F，BIAN X Q，SHI X C.Control for mating op?eration of multi-arm underwater vehicle［J］.Journal of Harbin Engineering University，2001，22（6）：9-11（in Chinese）.

［8］ 于開洋，徐鳳安，王棣棠，等.“探索者”號無纜水下機器人水下回收系統(tǒng)的設計與應用［J］.機器人，1996，18（3）：179-184.

YU K Y，XU F A，WANG D T，et al.Design and ap?plication of the underwater recovering system for the untethered underwater vehicle“Explorer”［J］.Robot，1996，18（3）：179-184（in Chinese）.

［9］ 李翔宇，劉衛(wèi)東，岳麗娜.PC104與VxWorks在深海ROV控制系統(tǒng)的應用［C］//2013中國西部聲學學術交流會論文集（下）.敦煌：四川省聲學學會，2013.

LI X Y，LIU W D，YUE L N.Application of PC104 and VxWorks in deep-sea ROV control system［C］// Acoustics Academic Exchange Conference of Western China.Dunhuang：Acoustics Society of Sichuan Prov?ince，2013（in Chinese）.

［10］ 楊新平.遙控自治水下機器人控制技術研究［D］.北京：中國艦船研究院，2012.

YANG X P.Control technology research of autono?mous and remotely-operated vehicle［D］.Beijing：China Ship Research and Development Academy，2012（in Chinese）.

［11］ 王宇鑫.“海螺一型”ROV控制系統(tǒng)結構與艏向控制技術研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

WANG Y X.Research on the control system structure and heading control technique of“Hello I”ROV［D］. Hangzhou：Zhejiang University，2012（in Chinese）.

［12］ 翟宇毅.超小型水下機器人的設計和控制［D］.上海：上海大學，2007.

ZHAI Y Y.Structure and control of subminiature un?derwater robot［D］.Shanghai：Shanghai University，2007（in Chinese）.

［13］ 趙慧，姜洪洲，韓俊偉，等.H∞混合靈敏度控制在液壓伺服系統(tǒng)中的應用［J］.中國機械工程，2002，13（3）：195-197.

ZHAO H，JIANG H Z，HAI J W，et al.Application of H∞mixed sensitivity control in hydraulic servo sys?tem［J］.China Mechanical Engineering，2012，13（3）：195-197（in Chinese）.

Development of control system in abdominal operating ROV

ZHANG Weikang1，WANG Guanxue1，XU Guohua1，LIU Chang1，SHEN Xiong2
1 School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China
2 Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China

In order to satisfy all the requirements of Unmanned Underwater Vehicle（UUV）recovery tasks, a new type of abdominal operating Remote Operated Vehicle（ROV）was developed.The abdominal operating ROV is different from the general ROV which works by a manipulator,as it completes the docking and recovery tasks of UUVs with its abdominal operating mechanism.In this paper,the system composition and principles of the abdominal operating ROV are presented.We then propose a framework for a control system in which the integrated industrial reinforced computer acts as a surface monitor unit, while the PC104 embedded industrial computer acts as the underwater master control unit and the other drive boards act as the driver unit.In addition,the dynamics model and a robust H-infinity controller for automatic orientation in the horizontal plane were designed and built.Single tests,system tests and underwater tests show that this control system has good real-time performance and reliability,and it can complete the recovery task of a UUV.The presented structure and algorithm could have reference significance to the control system development of mobile robots,drones,and biomimetic robot.

abdominal operating ROV；control system；PC104；H-infinity robust control

U674.941

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.016

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1556.008.html

張瑋康，王冠學，徐國華，等.腹部作業(yè)型水下機器人控制系統(tǒng)研制［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：124-132.

ZHANG W K，WANG G X，XU G H，et al.Development of control system in abdominal operating ROV［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：124-132.

2016-07-08 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡出版時間：

時間：2017-3-13 15:56

張瑋康，男，1992年生，碩士生。研究方向：水下機器人控制技術。

E-mail：zhangweikanghust@163.com

徐國華（通信作者），男，1965年生，博士，教授，博士生導師。研究方向：水下機器人，智能控制技術。E-mail：hustxu@vip.sina.com

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com