一種深海作業型rov控制系統及其控制方法
2023-09-17 02:42:15 1
一種深海作業型rov控制系統及其控制方法
【專利摘要】本發明屬於深海作業型ROV水下主控領域，具體涉及一種深海作業型ROV控制系統及其控制方法。本發明包括監控層、控制層、執行層、公共數據層，監控層分為信息處理模塊、設備通信模塊、設備狀態監控模塊；控制層包括資源分配模塊、任務決策模塊、任務控制模塊、指令輸出模塊。本發明應用VxWorks嵌入式實時作業系統，其高性能保證了ROV多任務的實時處理，並且穩定性好，擴展性強；結構簡明，各部分任務清晰，運行高效，並且任務層次分明，便於系統維護；本發明通用性好，可廣泛用於深海作業型ROV控制系統中。
【專利說明】—種深海作業型ROV控制系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於深海作業型ROV水下主控領域，具體涉及一種深海作業型ROV控制系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著深海作業型ROV技術的不斷成熟發展，已在水下考察、海洋工程、深海石油開發、軍事等方面得到了廣泛的應用，深海作業型ROV技術已逐步走向市場。深海作業型ROV水下運動與作業環境複雜，控制難度較大，控制系統的設計決定了其操控性能，控制系統的核心就是控制系統軟體。
[0003]深海作業型ROV水下控制系統要兼顧完成與水面控制系統通信，水下ROV狀態監測，ROV運動與作業控制等任務，要求深海作業型ROV控制系統軟體的設計要兼顧實時性、通用性、可擴展性。
[0004]目前，對於水下機器人單獨水下控制系統結構的研究較少。毛宇峰在文獻《水下機器人系統體系結構及避障控制技術研究》(哈爾濱工程大學，2010年5月)中提出水下機器人控制系統體系結構主要分三類，分別是分層遞階體系結構、反應式體系結構(又稱為基於行為體系結構)、混合體系結構。當前大多數水下機器人特別是自主性能不強的ROV仍然應用分層遞階體系結構，即水下機器人首先感知外部環境，然後規劃下個動作，最後執行這個動作(感知、規劃、執行，循環)。深海作業型ROV水下作業時任務規劃較為複雜，水面部分完成即可，因此以上三種結構體系對於深海作業型ROV有許多不合適之處。
【發明內容】
[0005]本發明目的在於針對現有水下機器人控制系統軟體結構設計的不足，提供一種深海作業型ROV控制系統，本發明的目的還在於提供一種深海作業型ROV控制方法。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:
[0007]—種深海作業型ROV控制系統，包括監控層、控制層、執行層、公共數據層，監控層分為信息處理模塊、設備通信模塊、設備狀態監控模塊；控制層包括資源分配模塊、任務決策模塊、任務控制模塊、指令輸出模塊；監控層與各設備通信採用CAN總線和串行方式，與水面設備採用網絡方式通信，監控層完成通信與數據處理任務，實時接收捷聯慣導系統、都卜勒測速儀、深度計、高度計、電源、推進器、水下作業設備的實時狀態數據信息，並且將監控到姿態、速度、高度、深度以及作業設備工作參數數據傳輸到水面設備，同時接收水面主控發送的操縱指令；資源分配模塊完成配置、啟動、設定和管理任務，實現任務的入口函數、優先級、規劃方法、運行周期信息動態地配置和管理，任務決策模塊用於辨識輸入的控制指令，任務控制模塊包含ROV動態運動，穩態閉環、作業控制三種任務控制方案；執行層控制指令接收和發送，分配推進器推力、機械手作業、控制照明設備；公共數據層用於各層中的模塊間的信息交換與共享用於存儲全局變量，包含傳感器數據、設備警報數據、作業參數，公共數據層分布於主控計算機以及各設備控制器上，由CAN總線或串行通訊線連接。[0008]深海作業型ROV控制方法:
[0009](I)系統開始後，進行系統全局變量的初始化；
[0010](2)開啟傳感器實時採集進程，不斷採集ROV各傳感器、電源、推進器、機械臂、輔助設備的狀態信息，判斷水下設備是否有故障，或ROV下潛深度是否超過警戒值，若有一種情形發生就判斷為緊急情況，並且發送給上位機進行報警後進入緊急情況處理進程；
[0011 ] 若水下設備運行正常，同時深度在警戒範圍內，則進行輸入指令判斷，控制指令自動控制，控制情況則調用對應任務分配方案，進行相應控制算法的ROV控制；
[0012]通過接收到的傳感器信息判斷ROV狀態，一旦ROV進入緊急情況進程，則進行如下控制:
[0013]判斷ROV是否有設備故障，若沒有，則是下潛深度超過警戒線，通知水面設備，人為控制上浮，若有設備故障，則設備斷電，並且判斷是否垂推電機故障；
[0014]若垂推電機發生故障，則斷電後靠浮力浮出水面，若垂推電機沒有故障，則操控垂推電機浮出水面。
[0015]本發明的有益效果在於:
[0016](I)本發明應用VxWorks嵌入式實時作業系統，其高性能保證了 ROV多任務的實時處理，並且穩定性好，擴展性強；
[0017](2)本發明分為四部分，結構簡明，各部分任務清晰，運行高效，並且任務層次分明，便於系統維護；
[0018](3)本發明主控系統利用CAN總線方式與各個分系統通信，系統工作效率，可擴展性強，當外部添加新的設備時，只需將設備接入CAN總線網絡，運行設備驅動，同時將本發明控制軟體軟體進行硬體任務功能設定即可；
[0019](4)本發明通用性好，可廣泛用於深海作業型ROV控制系統中；
[0020](5)本發明克服傳統ROV智能自主性低的問題，水面進行任務規劃，便可實現自主控制，具有較高智能性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明結構示意圖。
[0022]圖2是本發明任務控制的基本流程圖。
[0023]圖3是本發明詳細程序框圖。
[0024]圖4是本發明運動控制流程圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明做進一步描述:
[0026]本發明提供一種深海作業型ROV控制系統軟體結構和控制方法，該結構適用於基於VxWorks實時嵌入式系統的ROV控制系統，分為監控層、控制層、執行層、數據管理層四部分:監控層用於監測傳感器數據和ROV設備狀態並且完成數據通信；控制層和執行層一起完成ROV的運動和水下作業控制；數據管理層用於存儲ROV系統全局變量。ROV控制系統軟體還包含了:基於ROV任務控制流程的控制方法；表徵為VxWorks嵌入式軟體程序中任務函數(Task)形式的運行的ROV詳細任務進程；R0V運動控制和穩定控制方法。[0027]深海作業型ROV控制系統軟體結構和控制方法，採用基於VxWorks作業系統的嵌入式實時控制系統軟體，軟體結構分成監控層、控制層、執行層、公共數據層四部分。主要完成的任務有:與各個傳感器、推進型、機械臂以及水面設備進行數據通信；傳感器數據處理、運動以及作業控制。
[0028]監控層分為信息處理模塊、設備通信模塊、設備狀態監控模塊。主要完成通信與數據處理任務。監控層與各設備通信採用CAN總線和串行方式，與水面設備採用網絡方式通?目。
[0029]控制層是深海作業型ROV控制系統軟體的核心，分為資源分配、任務決策、任務控制、指令輸出四個模塊。資源分配模塊完成配置，啟動，設定和管理任務。實現各個任務的入口函數、優先級、規劃方法、運行周期信息動態地配置和管理。任務決策用於辨識輸入的控制指令，任務分割為深海作業型ROV穩態、動態、作業。判斷任務是否執行，以及執行優先權。任務控制包含ROV動態運動，穩態閉環、作業控制三種任務控制方案。
[0030]執行層主要是控制指令接收和發送，完成推進器推力分配、機械手作業、照明設備控制。
[0031]公共數據層用於該體系結構各層中的模塊間的信息交換與共享用於存儲全局變量，包含傳感器數據、各 設備警報數據、作業參數等。它分布於主控計算機以及各設備控制器上，由CAN總線或串行通訊線連接。
[0032]深海作業型ROV控制方法，包括ROV任務控制的基本流程；
[0033]系統開始後，進行系統全局變量的初始化。
[0034]開啟傳感器實時採集進程，不斷採集ROV各傳感器、電源、推進器、機械臂、輔助設備等狀態信息。並且判斷水下設備是否有故障，或則ROV下潛深度是否超過警戒值，若有一種情形發生就判斷為緊急情況，並且發送給上位機進行報警後進入緊急情況處理進程。
[0035]若水下設備運行正常，同時深度在警戒範圍內，則進行輸入指令判斷，ROV大部分運動也作業是操縱杆輸入，但也有指令輸入進行自主控制。控制指令自動控制，控制情況則調用對應任務分配方案，進行相應控制算法的ROV控制。
[0036]整個過程中，主控系統通過接收到的傳感器信息判斷ROV狀態，一旦ROV進入緊急情況進程，則進行如下控制:
[0037]判斷ROV是否有設備故障，若沒有，則是下潛深度超過警戒線，通知水面設備，人為控制上浮。若有設備故障，則相應設備斷電，並且判斷是否垂推電機故障；
[0038]若垂推電機發生故障，則斷電後靠浮力浮出水面，若垂推電機沒有故障，則操控垂推電機浮出水面；
[0039]本發明採用基於VxWorks作業系統的嵌入式實時控制系統軟體，深海作業型ROV控制系統軟體結構分成監控層、控制層、執行層、數據管理層四部分。主要完成的任務有:與各個傳感器、推進型、機械臂以及水面設備進行數據通信；傳感器數據處理、運動以及作業控制。軟體結構示意圖如圖1所示。
[0040]監控層分為信息處理模塊、設備通信模塊、設備狀態監控模塊。主要完成通信與數據處理任務，即實時接收捷聯慣導系統、都卜勒測速儀、深度計、高度計、電源、推進器、水下作業設備等實時狀態數據信息，並且將監控到姿態、速度、高度、深度以及作業設備工作參數數據傳輸到水面設備，同時又接收水面主控發送的操縱指令。監控層與各設備通信採用CAN總線和串行方式，與水面設備採用網絡方式通信。
[0041]控制層是深海作業型ROV控制系統軟體的核心，分為資源分配、任務決策、任務控制、指令輸出四個模塊。資源分配模塊完成配置，啟動，設定和管理任務。實現各個任務的入口函數、優先級、規劃方法、運行周期信息動態地配置和管理。任務決策用於辨識輸入的控制指令，任務分割為深海作業型ROV穩態、動態、作業。判斷任務是否執行，以及執行優先權。任務控制包含ROV動態運動，穩態閉環、作業控制三種任務控制方案。動態運動主要是指直航、側移、上浮、下潛運動；穩態閉環包括定傾角，定航向、定深、定高以及零橫滾角穩定迴路；水下作業控制是指分析水面主控對於作業設備的操控指令信息，包含機械臂、照明設備以及其他輔助設備。
[0042]執行層主要是控制指令接收和發送，完成推進器推力分配、機械手作業、照明設備控制。
[0043]公共數據層用於該體系結構各層中的模塊間的信息交換與共享用於存儲全局變量，包含傳感器數據、各設備警報數據、作業參數等。它分布於主控計算機以及各設備控制器上，由CAN總線或串行通訊線連接。
[0044]ROV控制系統軟體進行任務控制的基本流程，如圖2所示。
[0045]系統開始後，進行系統全局變量的初始化。
[0046]開啟傳感器實時採集進程，不斷採集ROV各傳感器、電源、推進器、機械臂、輔助設備等狀態信息。並且判斷水下設備是否有故障，或則ROV下潛深度是否超過警戒值，若有一種情形發生就判斷為緊急情況，並且發送給上位機進行報警後進入緊急情況處理進程。
[0047]若水下設備運行正常，同時深度在警戒範圍內，則進行輸入指令判斷，ROV大部分運動也作業是操縱杆輸入，但也有指令輸入進行自主控制。控制指令自動控制，控制情況則調用對應任務分配方案，進行相應控制算法的ROV控制。
[0048]整個過程中，主控系統通過接收到的傳感器信息判斷ROV狀態，一旦ROV進入緊急情況進程，則進行如下控制:
[0049]判斷ROV是否有設備故障，若沒有，則是下潛深度超過警戒線，通知水面設備，人為控制上浮。若有設備故障，則相應設備斷電，並且判斷是否垂推電機故障；
[0050]若垂推電機發生故障，則斷電後靠浮力浮出水面，若垂推電機沒有故障，則操控垂推電機浮出水面；
[0051]深海作業型ROV所有的任務表徵在VxWorks嵌入式軟體程序進程中是以任務函數(Task)形式運行，ROV控制系統嵌入式軟體程序詳細運行方式，如圖3所示。
[0052]將ROV控制系統軟體進程以VxWorks中任務函數的形式，模塊I為ROV監控任務，模塊2為ROV控制任務，模塊3為ROV執行任務，任務函數後邊的數字代表了任務優先級。
[0053]模塊I負責接收傳感器數據並且放入公共數據區。模塊2中任務為控制軟體系統的核心，參與通信，ROV運動與作業控制任務。模塊3為執行設備，它不存在與主控系統中，是為了組成整個順時針任務數據環流而把實際系統抽象出來的任務，實際系統中的推進器和作業設備，負責接收主控器的控制命令，並且被監控層傳感器監控狀態。
[0054]深海作業型ROV水下作業等任務是以優秀的運動控制性能和穩態性能為基礎。運動控制和穩定性控制主要是由控制層和執行層完成，本發明提供一種用於ROV運動控制和穩定控制方法，如圖4所示。[0055]將監控層的指令進行分析，根據指令進行任務決策，確定下一步進行的控制內容，將任務進行分割。步驟如下:
[0056]當用操縱杆或指令進行操控ROV運動時，只需進行定傾角任務和零橫搖角任務閉環控制，其他任務進行開環控制。通過直接接受指令按指令進行推力分配，推動ROV運動。
[0057]當ROV進行水下作業時，需要較強的靜態穩定性，ROV控制系統分別按照定航向、定深、定高、零傾角、零橫滾角的任務優先順序進行閉環控制，保證姿態、深度、高度的穩定。
[0058]當ROV進行水下自主運動時，ROV依照預定任務，逐次進行單獨的閉環控制。
[0059]本發明目的針對現有水下機器人控制系統軟體結構設計的不足，提供一種深海作業型ROV控制系統軟體結構，用於實現深海作業型ROV控制，更適用於深海作業型R0V。
[0060]本發明採用的技術方案是:
[0061]本發明採用基於VxWorks作業系統的嵌入式實時控制系統軟體，深海作業型ROV控制系統軟體結構分成監控層、控制層、執行層、數據管理層四部分。主要完成的任務有:與各個傳感器、推進型、機械臂以及水面設備進行數據通信；傳感器數據處理、運動以及作業控制。軟體結構示意圖如圖1所示。
[0062]監控層分為信息處理模塊、設備通信模塊、設備狀態監控模塊。主要完成通信與數據處理任務，即實時接收捷聯慣導系統、都卜勒測速儀、深度計、高度計、電源、推進器、水下作業設備等實時狀態數據信息，並且將監控到姿態、速度、高度、深度以及作業設備工作參數數據傳輸到水面設備，同時又接收水面主控發送的操縱指令。監控層與各設備通信採用CAN總線和串行方式，與水面設備採用網絡方式通信。
[0063]控制層是深海作業型ROV控制系統軟體的核心，分為資源分配、任務決策、任務控制、指令輸出四個模塊。資源分配模塊完成配置，啟動，設定和管理任務。實現各個任務的入口函數、優先級、規劃方法、運行周期信息動態地配置和管理。任務決策用於辨識輸入的控制指令，任務分割為深海作業型ROV穩態、動態、作業。判斷任務是否執行，以及執行優先權。任務控制包含ROV動態運動，穩態閉環、作業控制三種任務控制方案。動態運動主要是指直航、側移、上浮、下潛運動；穩態閉環包括定傾角，定航向、定深、定高以及零橫滾角穩定迴路；水下作業控制是指分析水面主控對於作業設備的操控指令信息，包含機械臂、照明設備以及其他輔助設備。
[0064]執行層主要是控制指令接收和發送，完成推進器推力分配、機械手作業、照明設備控制。
[0065]公共數據層用於該體系結構各層中的模塊間的信息交換與共享用於存儲全局變量，包含傳感器數據、各設備警報數據、作業參數等。它分布於主控計算機以及各設備控制器上，由CAN總線或串行通訊線連接。
[0066]ROV控制系統軟體進行任務控制的基本流程，如圖2所示。
[0067]系統開始後，進行系統全局變量的初始化。
[0068]開啟傳感器實時採集進程，不斷採集ROV各傳感器、電源、推進器、機械臂、輔助設備等狀態信息。並且判斷水下設備是否有故障，或則ROV下潛深度是否超過警戒值，若有一種情形發生就判斷為緊急情況，並且發送給上位機進行報警後進入緊急情況處理進程。
[0069]若水下設備運行正常，同時深度在警戒範圍內，則進行輸入指令判斷，ROV大部分運動也作業是操縱杆輸入，但也有指令輸入進行自主控制。控制指令自動控制，控制情況則調用對應任務分配方案，進行相應控制算法的ROV控制。
[0070]整個過程中，主控系統通過接收到的傳感器信息判斷ROV狀態，一旦ROV進入緊急情況進程，則進行如下控制:
[0071]判斷ROV是否有設備故障，若沒有，則是下潛深度超過警戒線，通知水面設備，人為控制上浮。若有設備故障，則相應設備斷電，並且判斷是否垂推電機故障；
[0072]若垂推電機發生故障，則斷電後靠浮力浮出水面，若垂推電機沒有故障，則操控垂推電機浮出水面；
[0073]深海作業型ROV所有的任務表徵在VxWorks嵌入式軟體程序進程中是以任務函數(Task)形式運行，ROV控制系統嵌入式軟體程序詳細運行方式，如圖3所示。
[0074]將ROV控制系統軟體進程以VxWorks中任務函數的形式，模塊I為ROV監控任務，模塊2為ROV控制任務，模塊3為ROV執行任務，任務函數後邊的數字代表了任務優先級。
[0075]模塊I負責接收傳感器數據並且放入公共數據區。模塊2中任務為控制軟體系統的核心，參與通信，ROV運動與作業控制任務。模塊3為執行設備，它不存在與主控系統中，是為了組成整個順時針任務數據環流而把實際系統抽象出來的任務，實際系統中的推進器和作業設備，負責接收主控器的控制命令，並且被監控層傳感器監控狀態。
[0076]深海作業型ROV水下作業等任務是以優秀的運動控制性能和穩態性能為基礎。運動控制和穩定性控制主要是由控制層和執行層完成，本發明提供一種用於ROV運動控制和穩定控制方法，如圖4所示。
[0077]將監控層的指令進行分析，根據指令進行任務決策，確定下一步進行的控制內容，將任務進行分割。步驟如下:
[0078]當用操縱杆或指令進行操控ROV運動時，只需進行定傾角任務和零橫搖角任務閉環控制，其他任務進行開環控制。通過直接接受指令按指令進行推力分配，推動ROV運動。
[0079]當ROV進行水下作業時，需要較強的靜態穩定性，ROV控制系統分別按照定航向、定深、定高、零傾角、零橫滾角的任務優先順序進行閉環控制，保證姿態、深度、高度的穩定。
[0080]當ROV進行水下自主運動時，ROV依照預定任務，逐次進行單獨的閉環控制。
【權利要求】
1.一種深海作業型ROV控制系統，包括監控層、控制層、執行層、公共數據層，其特徵在於:監控層分為信息處理模塊、設備通信模塊、設備狀態監控模塊；控制層包括資源分配模塊、任務決策模塊、任務控制模塊、指令輸出模塊；監控層與各設備通信採用CAN總線和串行方式，與水面設備採用網絡方式通信，監控層完成通信與數據處理任務，實時接收捷聯慣導系統、都卜勒測速儀、深度計、高度計、電源、推進器、水下作業設備的實時狀態數據信息，並且將監控到姿態、速度、高度、深度以及作業設備工作參數數據傳輸到水面設備，同時接收水面主控發送的操縱指令；資源分配模塊完成配置、啟動、設定和管理任務，實現任務的入口函數、優先級、規劃方法、運行周期信息動態地配置和管理，任務決策模塊用於辨識輸入的控制指令，任務控制模塊包含ROV動態運動，穩態閉環、作業控制三種任務控制方案；執行層控制指令接收和發送，分配推進器推力、機械手作業、控制照明設備；公共數據層用於各層中的模塊間的信息交換與共享用於存儲全局變量，包含傳感器數據、設備警報數據、作業參數，公共數據層分布於主控計算機以及各設備控制器上，由CAN總線或串行通訊線連接。
2.一種深海作業型ROV控制方法，其特徵在於: (1)系統開始後，進行系統全局變量的初始化； (2)開啟傳感器實時採集進程，不斷採集ROV各傳感器、電源、推進器、機械臂、輔助設備的狀態信息，判斷水下設備是否有故障，或ROV下潛深度是否超過警戒值，若有一種情形發生就判斷為緊急情況，並且發送給上位機進行報警後進入緊急情況處理進程； 若水下設備運行正常，同時深度在警戒範圍內，則進行輸入指令判斷，控制指令自動控制，控制情況則調用對應任務分配方案，進行相應控制算法的ROV控制； 通過接收到的傳感器信息判斷ROV狀態，一旦ROV進入緊急情況進程，則進行如下控制: 判斷ROV是否有設備故障，若沒有，則是下潛深度超過警戒線，通知水面設備，人為控制上浮，若有設備故障，則設備斷電，並且判斷是否垂推電機故障； 若垂推電機發生故障，則斷電後靠浮力浮出水面，若垂推電機沒有故障，則操控垂推電機浮出水面。
【文檔編號】G05B19/418GK103941685SQ201410145908
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月11日 優先權日:2014年4月11日
【發明者】魏延輝, 杜振振, 高延濱, 周衛祥, 何爽, 韓寒, 王澤鵬, 劉鑫, 胡佳興, 賈獻強 申請人:哈爾濱工程大學