導(dǎo)讀：本文系“2021一帶一路暨金磚國家技能發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新大賽”中獲得團體二等獎項目，參賽隊伍來自哈爾濱工程大學(xué)。指導(dǎo)老師是昝英飛教授，隊員分別郭睿男，邱天和宋友鵬。正值仿真秀2023機器人工業(yè)品技術(shù)交流月如火如荼，2月27日19時30分，我們將邀請哈爾濱工程大學(xué)的船舶與海洋工程行業(yè)專利獎優(yōu)秀獎、中國造船工程學(xué)會科技進步一等獎獲得者、仿真秀特聘講師郭睿男博士分享《水下機器人建模方法與仿真分析技術(shù)》介紹ROV水下作業(yè)仿真的建模方法和關(guān)鍵技術(shù)，并討論水下機器人作業(yè)仿真技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景，詳情見后文。

摘要：針對遙控水下機器人（ROV）作業(yè)的仿真預(yù)演與培訓(xùn)，基于開源框架開發(fā)ROV水下作業(yè)仿真平臺，實現(xiàn)六自由度ROV和機械手運動。仿真平臺包括人機交互模塊、路徑跟蹤模塊、PID 控制器模塊、推力分配模塊、ROV運動學(xué)和動力學(xué)解算模塊。進行開架式ROV龔嘴水電站壩體水下檢測作業(yè)仿真。利用路徑跟蹤技術(shù)掃描水壩檢測區(qū)域，確定泄洪口異物位置，由駕駛員操縱ROV和機械手清理異物。針對ROV位姿、推力等輸出信息，分析檢測作業(yè)并提出優(yōu)化方案。

一、引言

ROV水下作業(yè)仿真平臺適用于海洋工程、海洋科考、水利水電工程等典型領(lǐng)域的ROV作業(yè)仿真。通過ROV作業(yè)仿真平臺進行作業(yè)仿真預(yù)演與培訓(xùn)，可以增強ROV作業(yè)安全性，提升作業(yè)效率，節(jié)約作業(yè)成本；開展作業(yè)風(fēng)險評估、作業(yè)方案預(yù)演和團隊模擬演練；根據(jù)作業(yè)仿真結(jié)果，評估優(yōu)化作業(yè)方案，提供作業(yè)安全限界和建議。ROV作業(yè)仿真平臺可基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)實時再現(xiàn)深海 ROV 作業(yè)三維場景，可為深海 ROV 水下作業(yè)提供從方案設(shè)計到現(xiàn)場施工過程的技術(shù)支撐；可以通過硬件集成，進行ROV水下作業(yè)運動估算與輔助定位，實現(xiàn)作業(yè)人員與 ROV 裝備的最佳結(jié)合，對提升 ROV 作業(yè)人員技能、作業(yè)效率、作業(yè)安全性具有重要意義。

ROV水下作業(yè)仿真平臺適用于海洋工程、海洋科考、水利水電工程等典型領(lǐng)域的ROV作業(yè)仿真。通過ROV作業(yè)仿真平臺進行作業(yè)仿真預(yù)演與培訓(xùn)，可以增強ROV作業(yè)安全性，提升作業(yè)效率，節(jié)約作業(yè)成本；開展作業(yè)風(fēng)險評估、作業(yè)方案預(yù)演和團隊模擬演練；根據(jù)作業(yè)仿真結(jié)果，評估優(yōu)化作業(yè)方案，提供作業(yè)安全限界和建議。ROV作業(yè)仿真平臺可基于虛擬現(xiàn)實 VR 技術(shù)實時再現(xiàn)深海 ROV 作業(yè)三維場景，可為深海 ROV 水下作業(yè)提供從方案設(shè)計到現(xiàn)場施工過程的技術(shù)支撐；可以通過硬件集成，進行ROV水下作業(yè)運動估算與輔助定位，實現(xiàn)作業(yè)人員與 ROV 裝備的最佳結(jié)合，對提升 ROV 作業(yè)人員技能、作業(yè)效率、作業(yè)安全性具有重要意義。

ROV水下作業(yè)仿真平臺的開發(fā)解決了海洋工程作業(yè)中存在的兩個問題，即，ROV作業(yè)方案大多基于經(jīng)驗制定，缺乏作業(yè)安全的科學(xué)驗證手段，應(yīng)用ROV水下作業(yè)仿真平臺對作業(yè)進行模擬，可以對作業(yè)風(fēng)險進行評估；ROV水下作業(yè)時間長，水下作業(yè)支持船舶使用成本高。應(yīng)用ROV水下作業(yè)仿真平臺進行作業(yè)預(yù)演和人員培訓(xùn)，可以優(yōu)化海洋工程作業(yè)流程和方案，減少不必要的浪費。

ROV水下作業(yè)仿真平臺對于提高ROV作業(yè)安全性和作業(yè)效率，完善ROV作業(yè)技術(shù)和支撐裝備體系具有重要意義?；赗OV水下作業(yè)仿真平臺為人員技能提升、風(fēng)險事前規(guī)避、在線決策支持等提供技術(shù)保障；為實時作業(yè)成果再現(xiàn)、作業(yè)規(guī)劃和培訓(xùn)等應(yīng)用功能提供技術(shù)支撐；對提高深水ROV作業(yè)效率與安全性具有重要意義。

ROV水下作業(yè)仿真平臺可以結(jié)合VR技術(shù)實現(xiàn)實時水下三維視景，所以可用于數(shù)字孿生體進一步研究。ROV水下作業(yè)仿真平臺的開發(fā)進一步提升企業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化能力和高校科技創(chuàng)新能力，開發(fā)過程中與上海遨拓深水裝備技術(shù)開發(fā)有限公司和深圳海油工程水下技術(shù)有限公司等相關(guān)單位在產(chǎn)學(xué)研用的深度合作，對提高我國海洋工程裝備與配套體系建設(shè)、實現(xiàn)“十四五”時期加快壯大新一代海洋裝備等產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)任務(wù)具有重要意義。

ROV作業(yè)仿真平臺為深?？臻g站、深海礦藏開采等水下作業(yè)提供科技支撐，為海上作業(yè)向數(shù)智化發(fā)展提供必要手段，推動ROV相關(guān)設(shè)備的技術(shù)更新，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

ROV水下作業(yè)仿真平臺已完成海試實驗，并為荔灣 3-1 氣田、文昌 9-2/9-3 氣田群等典型工程項目提供了ROV作業(yè)方案評估及人員培訓(xùn)支持，同時為東海石油管道、內(nèi)河水電站壩體、長隧道涵洞等檢修等提供了仿真技術(shù)支持。本文介紹基于開源框架的ROV水下作業(yè)仿真平臺的開發(fā)，以及應(yīng)用仿真平臺進行的龔嘴水電站壩體檢測作業(yè)仿真。

二、仿真平臺的搭建

1、研究對象

仿真平臺基于開源框架自主開發(fā)，實現(xiàn)了ROV水下路徑跟蹤，PID控制和8推進器的推力分配。仿真平臺支持人機交互，利用手柄操作ROV和機械手運動。主要研究對象為一種典型的大功率工作級開架式ROV。該型ROV長 3.5 m，寬和高為2 m。推進器最大推力約為9000 N，縱向航速小于3.2 kn，機械手工作范圍1.8 m，最大負(fù)載能力250 kg，腕部最大力矩170 Nm。

圖1項目研究對象

2、水下作業(yè)仿真平臺模塊

ROV作業(yè)仿真平臺支持兩種作業(yè)模式，可預(yù)設(shè)ROV路徑，通過路徑跟蹤模塊實現(xiàn)ROV自動巡航，也可以依靠手柄控制速度增益，由領(lǐng)航員控制ROV航行。路徑跟蹤模塊和人機交互模塊將外部信息轉(zhuǎn)換為指令速度通過PID控制模塊計算實現(xiàn)指令速度的動力和力矩。仿真平臺包括人機交互模塊、路徑跟蹤模塊、PID 控制器模塊、推力分配模塊、ROV運動學(xué)和動力學(xué)解算模塊。

人機交互模塊將手柄信號轉(zhuǎn)化為指令速度，實現(xiàn)半物理仿真；路徑跟蹤模塊基于LIPB方法光滑ROV路徑；PID 控制器模塊基于反饋線性化的PID控制器計算實現(xiàn)指令速度的動力，PID參數(shù)基于田口法和序列二次規(guī)劃針對ROV位姿進行優(yōu)化；推力分配模塊根據(jù)ROV建立推力系數(shù)矩陣和推進器布置矩陣，推力分配模塊將PID控制模塊的動力轉(zhuǎn)化為8個推進器的推力；ROV運動學(xué)和動力學(xué)解算模塊根據(jù)推力，基于ROV操縱性數(shù)學(xué)模型計算ROV位姿；仿真平臺輸出變量ROV的重心的位置、姿態(tài)角（基于四元數(shù)變換）、速度。

圖 2ROV動力學(xué)仿真模塊

（1）路徑跟蹤模塊

路徑跟蹤模塊基于混合多項式線性插值方法光滑路徑，直線運動部分應(yīng)用線性插值，轉(zhuǎn)彎處應(yīng)用五階貝塞爾曲線插值，通過插值結(jié)果的有限微分計算指令速度。LIPB插值點為：

圖 3多項式線性插值

（2）PID 控制模塊

PID 控制模塊采用解耦的方式計算ROV的水動力，選擇指令加速度作為帶加速度前饋的PI控制器，計算空置率。由于ROV運動方程具有非線性項水動力，為提高閉環(huán)反饋的計算效率，采用反饋線性化控制器，提高閉環(huán)反饋的計算效率。選擇控制律：

進行線性化

圖 4反饋線性化控制器

（3）推力分配模塊

ROV有8個推進器，四個為垂向推進器，四個為水平推進器。根據(jù)ROV的推進器具體布置建立推進器推力（力矩）公式：

圖 5推進器布置

（4）ROV運動學(xué)和動力學(xué)解算模塊

分別建立固定坐標(biāo)系和隨體坐標(biāo)系，通過主軸坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度定義四個歐拉參數(shù)，依據(jù)四元數(shù)建立坐標(biāo)變換矩陣。固定坐標(biāo)系

其中 N 與 E 構(gòu)成的平面與地球表面相切。另一個坐標(biāo)系則為隨體坐標(biāo)系

也稱為動系。主軸

以及角度。所建立的ROV六自由度操縱性數(shù)學(xué)模型考慮非線性水動力，ROV操縱性數(shù)學(xué)模型：

用角度和單位矢量 l 的分量來定義的利用四個歐拉參數(shù)：

其中

基于四元數(shù)的坐標(biāo)變換：

圖 6坐標(biāo)系與參數(shù)

（5）機械手動力學(xué)仿真模塊

機械手動力學(xué)仿真模塊包括：人機交互模塊、機械臂位姿計算模塊、關(guān)節(jié)角度計算模塊、和關(guān)節(jié)位置計算模塊。手柄指令通過人機交互模塊轉(zhuǎn)化為指令速度，經(jīng)由機械臂位姿計算模塊，根據(jù)速度信號和機械臂當(dāng)前位姿計算期望位姿，并判斷期望位姿是否滿足機械臂的工作空間；如果機械臂位姿處于工作空間內(nèi)，則經(jīng)由關(guān)節(jié)角度計算模塊通過逆運動學(xué)模型求解機械臂關(guān)節(jié)的角度，并判斷各關(guān)節(jié)角度是否滿足關(guān)節(jié)限制，即考慮逆運動學(xué)解的存在性問題，如果逆運動學(xué)有多個解，則選擇機械臂每一個關(guān)節(jié)移動量最小的解。關(guān)節(jié)位置計算模塊通過運動學(xué)模型計算期望位姿下各關(guān)節(jié)空間位置，并判斷關(guān)節(jié)是否滿足笛卡爾空間限制。

三、水電站壩體檢測作業(yè)

ROV由于其實時性好、穩(wěn)定性強、續(xù)航時間長等優(yōu)勢能夠滿足絕大多數(shù)水利水電工程領(lǐng)域的應(yīng)用需求，我國已將ROV應(yīng)用于水利水電工程領(lǐng)域。其中有纜遙控水下機器人的應(yīng)用主要包括水庫大壩閘門的水下檢測與清理，消力池的水下檢測，水庫大壩壩體的水下檢測。大壩閘門的水下檢測與清理作業(yè)是在閘門開啟前，確認(rèn)閘門槽內(nèi)的異物狀況，如有必要應(yīng)清理淤積異物，確保綜合評估認(rèn)為不存在安全隱患，利用水下定位系統(tǒng)、水下多波束圖像聲納系統(tǒng)，對ROV的水下位置進行確定，同時掌握水下建筑物的結(jié)構(gòu)形狀。

后續(xù)操作人員可通過操作遙控手柄，將ROV遙控至閘門處。通過水下高清攝像和聲吶掃描的方式進行觀察。岸上操作人員通過操控機械臂可快速開展堆積物清理工作，并可通過圖像實時評估完成進度，為水壩閘門的落放提供了有利的安全保障，相較于潛水員水下作業(yè)具有安全性高、工作時間長、作業(yè)深度深、操作性簡便等優(yōu)點。

消力池的水下檢測作業(yè)中，在水質(zhì)較好的清水環(huán)境內(nèi)，可利用ROV水下高清攝像以及機械手等設(shè)施，進行水下消力池底板的穩(wěn)定性檢測，采用多波束聲納圖像并結(jié)合水面光線輔助定向措施后，系統(tǒng)便能可清晰辨識消力池的輪廓及尺寸。大壩庫區(qū)面積大、水質(zhì)清，因此可以采用ROV進行具體的水下檢測，充分發(fā)揮ROV的水下優(yōu)勢。通過ROV攜帶的水下多波束圖像聲納系統(tǒng)對大壩壩體進行檢測，確定大壩的滲漏位置，再利用基于CNN的高清攝像技術(shù)對滲漏處進行視頻觀察，同時通過電腦存儲圖像資料及ROV的位置信息，為后期大壩壩體加固提供資料。

ROV在水利工程中的應(yīng)用需要克服的3個工程作業(yè)的困難：

第一，ROV成本相對偏高，而且水利水電工程檢測任務(wù)越復(fù)雜，ROV 檢測成本會越高；

第二，ROV 操作要求高，操作員需要具備豐富的經(jīng)驗，需要熟悉設(shè)備和傳感器，同時需要具備海洋物理、空間幾何等方面知識和良好的心理素質(zhì)；

第三，水下環(huán)境復(fù)雜多變，水流、能見度等因素都會影響 ROV 操作。

應(yīng)用ROV水下作業(yè)仿真平臺可以有效解決上述3方面制約：預(yù)先規(guī)劃仿真方案，利用ROV水下作業(yè)仿真平臺進行方案預(yù)演，根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)整檢測方案，可以節(jié)約檢測作業(yè)時間，減少作業(yè)成本；結(jié)合水庫壩體和三維地形數(shù)據(jù)，不斷改變環(huán)境條件，通過ROV水下作業(yè)運動仿真平臺進行ROV檢測作業(yè)培訓(xùn)，使操作員熟悉作業(yè)環(huán)境并積累經(jīng)驗；結(jié)合三維視景仿真和VR技術(shù)，將ROV的水下作業(yè)直觀展示給操作員，排除能見度和攝影機限制；結(jié)合VR技術(shù)觀察壩體裂縫和消力池輪廓的三維形態(tài)，輔助檢測作業(yè)。

3.1 檢測目標(biāo)和任務(wù)

本文應(yīng)用ROV作業(yè)仿真平臺對龔嘴水電站壩體進行檢測和清理作業(yè)仿真，龔嘴水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)與峨邊縣交界處的大渡河上，壩址以上流域面積 76130 km2，多年平均流量 1500 m3/s。攔河壩為混凝土實體重力壩，壩頂高程530.5m，壩頂全長447m；本次檢測作業(yè)選擇閘門段作為檢測作業(yè)仿真的研究對象，仿真對象寬85.3 m。仿真平臺中的壩體根據(jù)龔嘴水電站建模，壩體模型與龔嘴水電站閘門段一致。壩體檢測仿真有三個主要任務(wù)：1）預(yù)設(shè)ROV軌跡，基于路徑跟蹤技術(shù)掃描整個檢測區(qū)域，記錄掃描內(nèi)容，確定閘門異物位置；2）駕駛員手操ROV到達(dá)異物位置，操縱機械手清理異物。3）根據(jù)仿真結(jié)果，分析檢測作業(yè)的可行性，評估作業(yè)方案，提供優(yōu)化的意見。

圖 7龔嘴水電站

3.2 檢測流程與步驟

龔嘴水電站壩體檢測和異物清理仿真流程主要包括4步：第一步，教練員選擇ROV的初始位置和姿態(tài)，確定水下流速和流向等環(huán)境，然后領(lǐng)航員開始作業(yè)仿真；第二步，領(lǐng)航員根據(jù)閘門段結(jié)構(gòu)特點，進行檢測路徑規(guī)劃。觀察ROV水下作業(yè)仿真平臺中仿真段壩體模型，確定閘門位置和尺寸，根據(jù)檢測區(qū)域和待檢測面積確定ROV的下潛深度以及ROV到壩體壁面的距離并設(shè)定路標(biāo)點。

圖 8壩體檢測步驟一和二

第三步，領(lǐng)航員使用路徑跟蹤功能，使ROV沿預(yù)定路徑巡航，記錄攝像機影像，當(dāng)發(fā)現(xiàn)閘門處異物時記錄坐標(biāo)；在ROV檢測作業(yè)過程中，可以改變第三視角直觀感知ROV姿態(tài)和位置，觀察ROV是否與壩體壁面發(fā)生碰撞。第四步，當(dāng)ROV的自動巡航檢測結(jié)束后，由領(lǐng)航員駕駛ROV到達(dá)閘門異物位置，通過機載攝影機觀察異物情況，通過操縱機械臂清理閘門異物。

圖 9壩體檢測步驟三和四

3.3 壩體檢測仿真結(jié)果分析

ROV起始位置位于水壩北側(cè)水下10米位置，首先向南水平巡航，掃描水閘以外上部壩體，然后下潛5米向北巡航檢測水閘上部，檢測期間為了細(xì)致觀察水閘附近異物情況，ROV將探入水閘附近，并依次進行水平巡航檢測，檢測完畢后再下潛5米，向南檢測水閘下部，最后再水壩南側(cè)深20米處完成檢測。我們輸出了檢測全過程中的推進器推力，以及ROV的姿態(tài)角，其中姿態(tài)角經(jīng)由四元數(shù)換算得到。從仿真結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ROV轉(zhuǎn)艏時，推進器推力分布發(fā)生較大變化，改變推力的瞬間ROV速度出現(xiàn)極大的擾動，但由于進行發(fā)聵線性化的PID控制，推進器推力針對加速度反饋做出調(diào)整，使速度和角度迅速回歸期望值，所以檢測路徑較為光滑。

圖 10檢測路徑

仿真作業(yè)中ROV距離壩體壁面3.5 m，在垂向上重疊0.3 m；歐拉常數(shù)和ROV位置的誤差峰值主要發(fā)生在轉(zhuǎn)彎處，此時為改變ROV艏向，改變推力分配，產(chǎn)生了較大的擾動；歐拉常數(shù)中，旋轉(zhuǎn)角度誤差較大，縱向歐拉常數(shù)誤差最小；ROV位置中，東方向位置誤差最大，深度方向誤差最??；壩體檢測作業(yè)可針對歐拉常數(shù)的旋轉(zhuǎn)角度和東方向位置進行優(yōu)化，改變PID控制參數(shù)；減小視野重疊，并調(diào)整規(guī)劃路徑的垂向位置。

圖11ROV的推力和位姿

四、水下機器人建模與仿真公開課

本文介紹了ROV水下作業(yè)仿真平臺和龔嘴水電站壩體檢測，可以得到如下結(jié)論：

第一、基于ROV水下作業(yè)仿真平臺完成了壩體檢測和閘門異物清理作業(yè)預(yù)演，根據(jù)位姿和誤差等輸出結(jié)果對檢測和清理作業(yè)進行了評估；

第二、ROV水下作業(yè)仿真平臺進行相關(guān)水下作業(yè)具有實際的工程應(yīng)用背景；ROV水下作業(yè)仿真平臺的開發(fā)不僅解決行業(yè)重大問題，仿真平臺可以在線模式并結(jié)合VR技術(shù)輔助實際水下作業(yè)，可用于數(shù)字孿生體進一步研究；

第三、ROV水下作業(yè)仿真平臺仿真結(jié)果與模型實驗數(shù)據(jù)對標(biāo)，ROV水下作業(yè)仿真平臺能夠較好的模擬了ROV和機械手的運動，與模型實驗相比基本吻合；

第四、ROV水下作業(yè)仿真平臺已經(jīng)應(yīng)用于荔灣 3-1 氣田、文昌 9-2/9-3 氣田群等多個海洋工程項目，并且得到了驗證。基于開源框架開發(fā)的ROV水下作業(yè)仿真平臺，可以公開計算模型作為教學(xué)案例或行業(yè)研究學(xué)習(xí)。

為了幫助大家更好理解ROV作業(yè)仿真，2月27日，仿真秀機器人工業(yè)品仿真第六期講座《水下機器人建模方法與仿真分析技術(shù)》將邀請筆者帶來《水下機器人建模方法與仿真分析技術(shù)》線上公開課。本期講座將概述水下機器人及其作業(yè)仿真技術(shù)的背景，介紹ROV水下作業(yè)仿真的建模方法和關(guān)鍵技術(shù)，討論水下機器人作業(yè)仿真技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用前景，最后展示ROV的水電站壩體檢測作業(yè)仿真。

審核編輯 ：李倩