基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统

基于Arduino的水上垃圾回收机器人控制系统设计作者：梁超刘志韬余新贝孙彬倪笑宇来源：《无线互联科技》2023年第17期摘要：通過对国内水上垃圾回收问题的研究发现，现有的水上垃圾清理船大多体积庞大且依靠燃油驱动，不仅运行能耗大、维护成本高，还会给水源带来其他污染，有些清理船虽然个头小但垃圾的回收效果却不太理想。

为了解决这些问题，文章设计了一种基于Arduino的水上垃圾回收机器人控制系统，该机器人可以通过无线通信、电机控制、传感器等多种方式，实现对水面垃圾的快速、准确的检测、收集、运行和定位。

该系统操作方便，成本低廉，为现有水上垃圾回收机器人的设计方案提供了一种新的思路。

关键词：Arduino；水上垃圾回收机器人；无线控制中图分类号：TP242;TP39文献标志码：A0 引言随着环境污染的加剧，许多城市的河流、风景区的人工湖泊受到了严重的破坏，塑料漂浮物、树枝碎片等物质混入其中，使人们的生活受到很大影响。

目前，国内的城市和湖泊中一些小水体清洁作业主要通过工人驾驶机动或非机动船打捞水面垃圾，这种方式效率低下，且由于工人长时间在水上工作，存在很大的安全隐患。

为解决这些问题，本文设计了一种结合AI视觉的太阳能水上垃圾收集机器人。

该机器体积较小，可以自动识别和追踪水上的漂浮垃圾，无需人工控制，在改善生态环境的同时，能很好地适应河流、湖泊等静水区的使用。

1 系统硬件设计当前，机器人的控制系统主要依赖于电子技术。

本文将介绍一种基于Arduino的水上垃圾回收机器人的控制技术。

该机器人的关键部分包括：Arduino控制单元、收集装置、电源模块、无线控制模块、识别模块和动力驱动单元。

其中，动力部分采用水下推进器；收集装置主要由ULN2003APG驱动芯片、步进电机以及装有勾臂的传动带组成；自动控制部分则由红外光电感应器、超声波传感器及OV7670摄像机等设备组成；而无线控制部分则由Android设备以及无线网络接收器等组成。

基于Arduino的智能水循环控制系统设计与实现作者：杨淳马延霞刘思彤刘功喜齐广宇冯佳旭张帅来源：《黑龙江水产》2024年第04期摘要：针对传统家居观赏鱼类养殖过程中智能化水平不足的问题，该研究提出了一种基于Arduino的物联网技术的智能水循环控制系统。

该系统利用Arduino Due和Esp 8266开发板作为核心，集成多传感器设备，实时采集养殖水环境内的水位、浑浊度、水温、pH值及光照强度等关键养殖数据，并通过物联网技术实现远程数据传输和移动端Blinker组件的实时显示。

通过物联网终端设备的接入，系统支持语音控制功能，允许养殖者通过智能音箱或手机应用进行远程操控。

系统不仅具备自动补光、换水、滤水和增氧等自动化操作，还提供了基础按键的手动控制模式，以满足不同养殖场景下的需求。

该研究的实施显著提升了鱼类养殖的智能化水平，为提升养殖效率、降低管理成本提供了有效的技术支撑。

关键词：Arduino；物联网技术；智能水循环；远程控制；语音控制中图分类号：S965.89文献标志码：A文章编号：1674-2419（2024）04-0439-06基金项目：黑龙江省教育科学“十四五”规划2022年度重点课题“线上线下混合式教学模式下高职学生自主学习与自我评价研究成果（ZJB1422147）”。

作者简介：杨淳（1989.5- ），女，汉族，黑龙江农业工程职业学院讲师，硕士研究生，研究方向：计算机应用，物联网应用技术。

E-mail：***************。

通讯作者：马延霞（1976.3- ），女，汉族，工学硕士。

黑龙江农业工程职业学院副教授。

研究方向：计算机科学技术与应用。

E-mail：****************。

随着科技的飞速发展，智能化技术已逐渐渗透到人们生活的各个领域，显著提升了人们的生活品质。

特别是在物联网技术的推动下，智能家居系统正逐步成为现代家庭不可或缺的一部分。

在智能家居的广阔前景和市场需求中，鱼类养殖水循环系统作为家庭装饰和休闲养生的重要元素，其智能化控制与管理逐渐成为行业研究和发展的新热点。

水下ROV 1、引言1.1 目的1.2 背景1.3 定义和缩略语2、ROV的概述2.1 ROV的定义2.2 ROV的主要组成部分2.2.1 控制系统2.2.2 传感器系统2.2.3 通信系统2.2.4 动力系统2.2.5 操作平台2.3 ROV的应用领域2.3.1 海洋科学研究2.3.2 海洋工程和资源勘探2.3.3 救援和搜救任务2.3.4 水下考古和文化保护3、ROV的设计和制造过程3.1 概念设计3.1.1 功能需求分析3.1.2 结构设计3.1.3 控制系统设计3.2 详细设计3.2.1 结构详细设计3.2.2 传感器系统设计3.2.3 通信系统设计3.2.4 动力系统设计3.3 制造和装配3.3.1 材料选用和采购3.3.2 制造流程3.3.3 装配流程3.3.4 测试和验证4、ROV的操作与维护4.1 ROV的操作指南4.1.1 前期准备4.1.2 启动和关机4.1.3 操控技巧4.1.4 事故处理和应急措施 4.2 ROV的维护和保养4.2.1 日常检查和清洁4.2.2 维修和更换部件4.2.3 定期保养和维护5、ROV的安全规定和标准5.1 操作人员培训和资质要求 5.2 安全操作规程5.3 安全设备和措施5.4 使用安全标准和指南6、ROV的性能和效能评估6.1 运行性能评估6.2 功能性能评估6.3 可靠性和维修性能评估6.4 效益评估7、ROV的风险评估和管理7.1 潜在风险识别7.2 风险评估和优先级确定7.3 风险管理和控制措施8、ROV的未来发展趋势8.1 技术改进和创新8.2 应用领域扩展8.3 自主化和智能化发展附件：1、ROV的技术规格书2、ROV的控制系统原理图3、ROV的传感器系统说明书4、ROV的通信系统手册5、ROV的动力系统维修手册法律名词及注释：- ROV：Remotely Operated Vehicle，即水下遥控- 维修性能评估：评估ROV的可维修性和维修难度，包括维修时间、维修成本等指标。

一种水下机器人ROV的电源管理电路的制作方法技术随着科技的不断进步，水下机器人(ROV)在海洋探测、工程施工和资源勘探中扮演着越来越重要的角色。

ROV作为一种能够在水下环境下执行各种任务的智能机器人，其电源管理系统的设计和制作显得尤为重要。

电源管理电路是ROV中的核心部件之一，其稳定可靠的性能对ROV 的工作能力和安全性有着至关重要的影响。

本文将围绕着一种水下机器人ROV的电源管理电路的制作方法技术展开深入探讨，着重介绍其设计原理、制作流程和性能特点。

一、设计原理1.1 电源管理需求分析ROV作为一种水下工作评台，需要通过电源管理电路来管理和分配不同的电源输入，以保证ROV各部件的正常供电。

电源管理电路还需要具备过载保护、短路保护、电压稳定等功能，以确保ROV在复杂海底环境中的稳定运行。

1.2 电源管理电路的基本原理电源管理电路的基本原理包括电源输入、滤波、功率转换、电压稳定等环节。

其中，滤波模块用于滤除电源输入中的杂波干扰，功率转换模块用于将电源输入转换为ROV所需的稳定输出，而电压稳定模块则用于保持输出电压的稳定。

1.3 电源管理电路的设计考虑在设计电源管理电路时，需要考虑ROV的工作环境和任务需求，选用适合的电源输入方式、功率转换器和稳压器。

还需要考虑电路的布局和散热设计，以确保电路的稳定性和可靠性。

二、制作流程2.1 电源管理电路的元件选型在制作电源管理电路时，需要选择适合ROV需求的电源输入端子、滤波电容、稳压芯片、功率MOS管等元件。

这些元件的选型需要考虑其工作温度范围、耐压能力、响应速度等特性。

2.2 电源管理电路的布局设计电源管理电路的布局设计需要考虑元件的连接方式和布线走向，以减小电磁干扰和功率损耗。

合理的布局设计能够提高电路的稳定性和可靠性。

2.3 电源管理电路的焊接和组装在进行电源管理电路的制作时，需要采用专业的焊接工艺和组装技术，确保元件之间的良好连接和电路的稳定性。

还需要进行电路的测试和调试，以验证电路的性能和可靠性。

ＤＯＩ：１０．１３８７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｕｉｓｔ．２０１９．０２．００２唐鸿儒１㊀奚家烽１㊀沈天鹤１㊀包加桐１㊀刘其铭１基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统研制摘要为了降低水下机器人开发复杂度，增加机器人的适应性和开放性，基于ＲＯＳ（机器人操作系统）研制了遥控水下机器人监控系统．首先简单介绍了遥控水下机器人监控系统的硬件结构，提出了基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统软件框架，介绍了感知执行层㊁导航控制层和监视操作层的组成及作用，描述了运动控制节点㊁人机交互节点㊁姿态控制节点３个功能模块的设计方法．实验表明，基于ＲＯＳ开发的水下机器人监控系统能很好地协调感知模块㊁运动控制模块和人机交互模块等各个节点的工作，具有开发周期短㊁扩展性较好等特点．关键词监控系统；遥控水下机器人；系统架构；机器人操作系统（ＲＯＳ）；传感与控制中图分类号ＴＰ２４２．３文献标志码Ａ收稿日期２０１９⁃０３⁃０３资助项目国家自然科学基金（６１８０６１７５）；江苏省博士后基金（１６０１００６Ｃ）作者简介唐鸿儒，男，博士，教授，主要从事机电设备状态智能监测㊁工业互联网以及机器人研究．ｙｚｔａｎｇｈｒ＠１６３．ｃｏｍ１扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州，２２５１２７０㊀引言㊀㊀近年来，随着国家经济的快速发展，全国许多地方都建设了大型水电厂㊁泵站桥梁等水利工程设施．利用遥控水下机器人来完成水下建筑物巡检［１］㊁水质环境调查［２］㊁水下打捞作业［３］等任务，可以提高工作效率，保证作业人员的人身安全［４］．遥控水下机器人通常工作在非结构化的环境中，需要在操作人员的控制和监视下运行．不同研究机构所研制的水下机器人在结构㊁功能㊁设备接口方面不尽相同，硬件板卡不一致，使用各种不同的操作系统，导致大量的代码冗余，降低了整个系统的通用性和可扩展性［５］．虽然非标准化的硬件和系统使得结构简单，但是这也导致了偏向实用化的小型水下机器人的软件开发周期较长㊁生产成本普遍较高，从而出现了目前水下机器人的使用和推广程度都还很低的情况［６］．因此，如何降低水下机器人的制作成本㊁缩短系统的开发周期㊁提高水下机器人的通用性和扩展性依旧是亟待解决的问题．ＭＯＯＳ是一种适用于自主式水下机器人平台的分布式控制体系结构．它是在２００１年由麻省理工学院的ＰｕａｌＮｅｗｍａｎ设计提出的开源软件框架系统，具有模块化设计㊁分布式㊁星型拓扑结构等优点，因此被广泛应用于各类水下机器人的监控系统设计上［７］．但是ＭＯＯＳ系统对于代码语言的支持性较低，安全性较差并且系统支持来源较少，开发周期相对更长．我们需要寻找更新功能更全面的系统来满足降低成本㊁缩短周期的问题．ＲＯＳ（ＲｏｂｏｔＯｐｅｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）作为软件开发平台，是一个专业服务于机器人的操作系统［８］．由于其开源的特点，使用者可以在ＲＯＳ的交流社区内共享丰富的资源，获取最前沿的机器人控制技术，同时ＲＯＳ还能提供大量可应用于不同种类机器人的功能包，通过修改可复用的功能包来开发新功能，可以缩短开发时间㊁避免重复工作［９］．目前，ＲＯＳ已被广泛应用到许多机器人技术的研究开发中，如移动机器人地图构建和定位［１０］㊁服务机器人自然语言理解识别［１１］㊁无人机导航［１２⁃１３］等．为此，基于ＲＯＳ研制了一款可以遥控操作的水下机器人监控系统．该监控系统能够实时控制水下机器人各个方向的运动，可以实时采集和显示水下机器人所携带的加速度计㊁陀螺仪㊁深度计等传感器的数据，还可以利用水下摄像头反馈当前工作的水下环境等．最后，通㊀㊀㊀㊀过实验证明，这种基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统可以解决设备通信不协调和代码复用等通用性较低的问题．图１㊀遥控水下机器人监控系统硬件结构框图Ｆｉｇ １㊀Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅ１㊀监控系统硬件结构遥控水下机器人监控系统采用的硬件结构如图１所示，包括水面上的操作员控制器（ＯＣＵ）和水下的水下机器人本体．水面部分的操作员控制器主要由操作员控制台和供电装置组成，操作员控制台负责控制水下机器人的运动以及接收水下机器人的传感器数据，供电装置负责给操作员控制台和水下机器人主体供电．水下机器人控制器包括主控制器㊁推进器模块㊁传感接口模块㊁图像采集与传输模块．利用微型工控机作为遥控水下机器人的主控制器，通过四芯网线利用ＴＣＰ／ＩＰ协议接收岸上操作员控制器下达的控制指令，并对舱内各个设备进行任务分配．电源监测管理模块负责将电池组输出的电源分级处理后提供给各个部件，同时电源监测数据使用２３２串口方式提供给主控制器．推进器驱动模块由６个推进器驱动模块组成，它们分别对应６个推进器电机．推进器模块通过４８５串口方式从主控制器接收驱动命令，驱动电机正反转，控制电机的转速，控制水下机器人的上浮㊁下潜㊁前进㊁后退㊁转向等运动．传感器接口模块集成了包括陀螺仪㊁加速度计㊁深度计㊁温湿度传感器等多种传感器，该模块负责采集多种传感器数据，预处理采集的数据并发送给主控制器．传感器接口模块与主控制器之间采用２３２串口方式进行通信．图像采集与传输模块主要由图传设备和摄像头组成，摄像头拍摄到的画面通过ＶＧＡ接口传输给图传设备，再由图传设备显示在操作员控制器的屏幕上．２㊀监控系统软件结构以水下机器人监控系统硬件体系结构为基础，提出了图２所示的基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统软件框架，它从下而上分为感知执行层㊁导航控制层和监视操作层３个层次．１）感知执行层能够感知水下机器人所处环境，测算水下机器人在水中运动时的姿态并且能够执行操作员发出的控制命令．它主要由信号采集处理模块和电机驱动控制模块构成．信号采集处理模块主要是采集各种传感器的信息，并进行一定程度的预处理；电机驱动控制模块根据上层规划任务生成的指令来对每个推进器进行转速和转向的控制，最终实现机器人的运动控制．２）导航控制层是水下机器人能够具备自主能力的关键，由运行在主控制器上的ＲＯＳ以及若干节点构成．其中运动控制节点是根据操作员命令㊁姿态控制节点或者自主导航节点的要求，控制水下机器人涡轮推进器工作的软件模块．人机交互节点是连接操作员控制器和主控制器的桥梁，负责两端的数据传输．姿态控制节点具有两个作用，一是接收来自环境感知节点收集并处理好的数据，并根据这些数据建立数学模型，确定机器人的航行姿态；二是利用解９３１学报（自然科学版），２０１９，１１（２）：１３８⁃１４３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１９，１１（２）：１３８⁃１４３图２㊀基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统软件框架Ｆｉｇ ２㊀Ｓｏｆｔｗａｒｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅ得的姿态，规划出对应的控制方案，并让机器人在无人状态下也能保持航姿的基本平稳．环境感知节点负责接收并处理加速度计㊁陀螺仪㊁温湿度传感器㊁深度计等传感器的数据．抓取控制节点负责控制机器人的机械臂活动．照明控制节点负责控制机器人的开关．自主导航节点负责根据操作员的需要，按照一定的规划自动控制水下机器人的导航行进．当前的环境触发不同行为，多种行为经过行为融合仲裁模块决策后，依靠设定的优先级选择出需要的反应动作．这种反应动作是在当前层中执行，不需要向上层传输和等待任务规划的过程，因此可以加快系统的响应速度．导航控制层的核心是ＲＯＳ，它的实质是一个通信中间件，能够提供订阅发布的通信机制［１４］．其通信机制如下：ＲｏｓＭａｓｔｅｒ是ＲＯＳ的调度中枢，可以看作一个服务器，其余的节点是发布者（ｔａｌｌｋｅｒ）或订阅者（ｌｉｓｔｅｎｅｒ），发布者和订阅者之间通过主题（ｔｏｐｉｃ）联系，当发布者就某个主题发布了消息（ｍｅｓ⁃ｓａｇｅ）后，订阅该主题的订阅者便能收到这条消息，接着再根据自己定义的回调函数对消息进行下一步的处理，以完成相应的任务要求．３）监视操作层处于系统的顶层，负责确定任务的目标，把握机器人的工作方向，还负责监测整个系统的运行状态，为操作人员的实时决策提供支持．监视操作层的主体是操作员控制器的远程操作界面，负责让操作人员实时监测和控制水下机器人．２ １㊀运动控制节点运动控制节点一方面订阅人机交互节点㊁自主导航节点和姿态控制节点等发布的机器人运动命令（ｔｏｐｉｃ），另一方面将命令中携带的消息转化成控制推进器驱动器所需的底层指令，通过启动多个推进器的不同组合来实现水下机器人在指定速度下多个自由度的运动．图３是运动控制节点在ＲＯＳ中的节点关系．图３中的 ｃｍｄ＿ｖｅｌ 和 ｃｍｄ＿ａｔｔ 是人机交互节点和姿态控制节点分别向运动控制节点发布的主题， Ｔｗｉｓｔ 是主题所传递的消息类型，它包含了机器人运动的线速度和角速度的值，两个不同的主题都向运动控制节点发送同一个类型的消息，但彼此独立互不影响，可以在不同的状态下实现对机器人的运动或姿态的控制操作．以订阅 ｃｍｄ＿ｖｅｌ 主题为例，图４是在运动控制节点中定义的回调函数流程．由于消息中包含的线速度和角速度数据都无法被直接使用，需要根据一定的数学关系转换成电机的转速，因此在知道电机转速之后还要根据驱动器的指令协议进行数据匹配，获得与电机转速相对应的驱动器指令数据．水下机器人推进器使用的驱动器采用了Ｍｏｄｂｕｓ⁃ＲＴＵ协议，最后通过ＲＳ４８５串口由运动控制节点将控制命令发送给推进器驱动器．０４１唐鸿儒，等．基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统研制．ＴＡＮＧＨｏｎｇｒｕ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓｂａｓｅｄｏｎＲＯＳ．图３㊀运动控制节点关系Ｆｉｇ ３㊀Ｄｉａｇｒａｍｏｆｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｎｏｄｅ图４㊀回调函数流程Ｆｉｇ ４㊀Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃａｌｌｂａｃｋｆｕｎｃｔｉｏｎ２ ２㊀人机交互节点操作员控制器运行在传统Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下，水下机器人的主控制器运行在Ｌｉｎｕｘ环境下．采用基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的Ｓｏｃｋｅｔ方式进行通信，机器人本体搭载的主控制器作为服务器端，操作员控制器作为客户端．同时本文还制定了上下位机之间的数据通信协议，表１和表２分别是下行指令和上行数据的帧格式．表１㊀下行指令Ｔａｂｌｅ１㊀Ｄｏｗｎｓｔｒｅａｍｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｌｉｓｔ操作快速中速慢速下潜上浮前进后退数据２８３２４６６５６６６７６８操作右转左转停止关灯开灯测量数据６ｃ６ｂ６ｄ７５７６７７２ ３㊀姿态控制节点图５表示的是姿态控制节点关系．表２㊀上行数据帧格式Ｔａｂｌｅ２㊀Ｕｐｓｔｒｅａｍｄａｔａｆｒａｍｅｆｏｒｍａｔ字节０ １２ ４５ ７８９ １１内容帧头电源深度警报横摇字节１２１３ １５１６ １７１８ １９２０ ２１内容速度纵摇舱温舱湿帧尾图５㊀姿态控制节点关系Ｆｉｇ ５㊀Ｄｉａｇｒａｍｏｆａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｎｏｄｅ图５给出了姿态控制节点的节点关系以及处理过程：首先利用环境感知节点从传感器接口模块发送的数据包接收后通过 ｒｅｃ＿ｍｓｇ 主题发布给姿态控制节点，姿态控制节点根据数据包所加的标识符来截取所需部分的数据，并将这些有用的数据解析分类，接着进行滤波处理去除干扰杂项；然后根据选定的参考坐标系进行数学建模，得到数学模型后进行姿态分析判断，判断倾斜方向及角度等；最后根据倾斜情况来给出对应的反应行为．姿态分析得出航姿的同时也要通过发布 ｉｍｕ＿ｍｓｇ 主题将消息传输给人机交互节点，实时地反馈给操作员监控端，以便随时监控运行状态并及时做出规划．当机器人在无人操作状态下会进入基于行为的工作模式，无需上层的任务规划，根据特定的状态给予特定的反应行为，直接通过 ｃｍｄ＿ａｔｔ 主题对运动控制节点发送调整姿态的信息，以达到快速自主平衡的要求．３㊀实验设计制作的遥控水下机器人和操作员控制器实物分别如图６和图７所示．为了验证ＲＯＳ系统能够有效地实现运动控制和状态监测的功能，在一个面积５ｍˑ６ｍ，深约１．５ｍ实验水池内进行运动控制实验．实验时，使用操作员控制器上的按钮和摇杆对机器人进行遥控，使机器人完成前进后退㊁上浮下潜㊁转向等动作，同时测试软件的使用效果，观察运动控制是否有效㊁水下图像是否清晰㊁运动姿态是否准确等．１４１学报（自然科学版），２０１９，１１（２）：１３８⁃１４３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１９，１１（２）：１３８⁃１４３图６㊀遥控水下机器人实物Ｆｉｇ ６㊀Ｃｏｍｐｌｅｔｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅ图７㊀操作员控制器Ｆｉｇ ７㊀Ｏｐｅｒａｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ经过测试，操作员控制器操作简单㊁显示直观，遥控机器人可以按照指定的控制命令进行运动，且操作员控制器端可以实时反馈当前机器人所处的水下环境㊁自身的倾斜姿态㊁舱内的环境参数等．图８是部分实验场景照片和实验时操作员控制器的监控画面．４　结论针对目前水下机器人的制作成本较高㊁系统的开发周期较长㊁系统通用性和硬件扩展性较差的问题，介绍了一种基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统架构．实验证明利用该架构实现的遥控水下机器人监控系统能够让操作人员通过人机界面与水下机器人进行交互，实现控制机器人和监测水下环境的目标．通过ＲＯＳ的使用提高了水下机器人监控系统的灵活性和适应性，统一了机器人内部各个模块的集成和使用，大大减少了系统开发过程中的重复性工作．同时，采用这种架构提高了功能拓展方面的便利性，为将来更深入的研究，如水下定位导航㊁水下目标识别跟踪㊁水下地图建立等功能的开发提供了基础条件．参考文献Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ［１］㊀黄明泉．水下机器人ＲＯＶ在海底管线检测中的应用图８㊀实验场景照片Ｆｉｇ ８㊀Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｃｅｎｅｐｈｏｔｏｓ［Ｊ］．海洋地质前沿，２０１２（２）：５２⁃５７ＨＵＡＮＧＭｉｎｇｑｕａｎ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｒｅｍｏｔｅｌｙｏｐｅｒａｔｅｄｃｅｈｉｃｌｅ（ＲＯＶ）ｉｎｓｅａｂｏｔｔｏｍｐｉｐｅｌｉｎｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍａ⁃ｒｉｎｅＧｅｏｌｏｇｙＦｒｏｎｔｉｅｒｓ，２０１２（２）：５２⁃５７［２］㊀栾坤祥，马秀冬．智能水下航行器对海洋重金属污染状况的检测研究［Ｊ］．舰船科学技术，２０１７（１６）：１８７⁃１８９ＬＵＡＮＫｕｎｘｉａｎｇ，ＭＡＸｉｕｄｏｎｇ．Ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅｄｅｔｅｃｔｓｔｈｅｓｔａｔｕｓｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎｉｎｓｅａ［Ｊ］．ＳｈｉｐＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１７（１６）：１８７⁃１８９［３］㊀黄晓辰，张小俊，孙凌宇，等．核电站多功能水下打捞机器人系统研究［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１７，３８（３）：５５２⁃５５９ＨＵＡＮＧＸｉａｏｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｊｕｎ，ＳＵＮＬｉｎｇｙｕ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｍｕｌｔｉ⁃ｆｕｎｃｔｉｏｎｒｏｂｏｔｆｏｒｏｂｊｅｃｔｓａｌｖａｇｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎ⁃ｓｔｒｕｍｅｎｔ，２０１７，３８（３）：５５２⁃５５９［４］㊀Ｍｉšｋｏｖｉｃ＇Ｎ，ＥｇｉＭ，ＮａｄＤ，ｅｔａｌ．Ｈｕｍａｎ⁃ｒｏｂｏｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ：ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓａｆｅｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ［Ｃ］ʊ２０１６ＩＥＥＥＴｈｉｒｄＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｌｅｒｉｃｉ，Ｉｔａｌｙ：ＩＥＥＥ，２０１６［５］㊀ＳｕｎＪ，ＺｈａｎｇＦ，ＷａｎｇＧＱ，ｅｔａｌ．Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌ⁃ｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｒｏｂｏｔｓｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｇｓ［Ｊ］．ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｃｏｎｏｍｉｃＧｕｉｄｅ，２４１唐鸿儒，等．基于ＲＯＳ的遥控水下机器人监控系统研制．ＴＡＮＧＨｏｎｇｒｕ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓｂａｓｅｄｏｎＲＯＳ．２０１７，３１：６⁃７［６］㊀ＮｏｗａｋＢＭ，ＡｙｈａｎＹ，ＤｅｒｒｉｃＡ，ｅｔａｌ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｕｌｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓｆｏｒａｌｏｗ⁃ｃｏｓｔ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｏｂｏｔａｓａｎｅｎａｂｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆｓｙｓｔｅｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］ʊ２００８ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎ⁃ｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｙｓｔｅｍｏｆＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ，Ｓｉｎ⁃ｇａｐｏｒｅ：ＩＥＥＥ，２００８：１⁃６［７］㊀刘伦伦．ＭＯＯＳ⁃ＩｖＰ理论概述及应用简析［Ｊ］．科技创新导报，２０１６，１３（１３）：８３⁃８７ＬＩＵＬｕｎｌｕｎ．ＢｒｉｅｆａｎａｌｙｓｉｓｏｆＭＯＯＳ⁃ＩｖＰｔｈｅｏｒｙａｎｄａｐ⁃ｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＨｅｒａｌｄ，２０１６，１３（１３）：８３⁃８７［８］㊀ＱｕｉｇｌｅｙＭ，ＣｏｎｌｅｙＫ，ＧｅｒｋｅｙＢＰ，ｅｔａｌ．ＲＯＳ：ａｎｏｐｅｎ⁃ｓｏｕｒｃｅｒｏｂｏｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］ʊＩｃｒａＷｏｒｋｓｈｏｐｏｎＯｐｅｎＳｏｕｒｃｅＳｏｆｔｗａｒｅ，２００９［９］㊀ＫｏｕｂａａＡ．Ｒｏｂｏｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ（ＲＯＳ）：ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ：ｖｏｌｕｍｅ１［Ｍ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＳｐｒｉｎｇｅｒＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，２０１６［１０］㊀ＡｆａｎａｓｙｅｖＩ，ＳａｇｉｔｏｖＡ，ＭａｇｉｄＥ．ＲＯＳ⁃ｂａｓｅｄＳＬＡＭｆｏｒａｇａｚｅｂｏ⁃ｓｉｍｕｌａｔｅｄｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｉｎｉｍａｇｅ⁃ｂａｓｅｄ３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｉｎｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｃ］ʊＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｄｖａｎｃｅｄＣｏｎｃｅｐｔｓｆｏｒＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＶｉｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ，２０１５，９３８６：２７３⁃２８３［１１］㊀ＺａｍａｎＳ，ＳｌａｎｙＷ．Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅ⁃ｂａｓｅｄｏｎｌｉｎｅａｎｄｏｆｆｌｉｎｅｓｐｅｅｃｈｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒＲＯＳ⁃ｂａｓｅｄｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］．Ｉｎ⁃ｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ，２０１４，４３（４）：３６４⁃３８０［１２］㊀ＭｏｏｎＳＴ，ＥｏｍＷ，ＧｏｎｇＨ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅ⁃ｓｃａｌｅ３Ｄｍａｐｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｉｎｄｏｏｒａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｎａｖｉｇａ⁃ｔｉｏｎｆｌｉｇｈｔ⁃ｗｏｒｋｉｎｐｒｏｇｒｅｓｓ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｄｉａＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，９９：１１３２⁃１１３６［１３］㊀ＬａｋｓｈｍｉＫＤ，ＶａｉｔｈｉｙａｎａｔｈａｎＶ．ＳｔｕｄｙｏｆｆｅａｔｕｒｅｂａｓｅｄＩｍａｇｅｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｆｏｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｏｆｕｎｍａｎｎｅｄａｅｒｉａｌｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］．ＩｎｄｉａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏ⁃ｇｙ，２０１５，８（２２）：３８７⁃３９４［１４］㊀陈金宝．ＲＯＳ开源机器人控制基础［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２０１６ＣＨＥＮＪｉｎｂａｏ．ＲＯＳｏｐｅｎｓｏｕｒｃｅｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒｏｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓ，２０１６Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓｂａｓｅｄｏｎＲＯＳＴＡＮＧＨｏｎｇｒｕ１㊀ＸＩＪｉａｆｅｎｇ１㊀ＳＨＥＮＴｉａｎｈｅ１㊀ＢＡＯＪｉａｔｏｎｇ１㊀ＬＩＵＱｉｍｉｎｇ１１ＳｃｈｏｏｌｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃ，ＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ㊀２２５１２７Ａｂｓｔｒａｃｔ㊀Ｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓａｎｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｒａｄａｐｔａ⁃ｂｉｌｉｔｙａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅｓｂａｓｅｄｏｎＲＯＳｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｂｒｉｅｆｌｙ．ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｏｆｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＲＯＳｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｐｅｒｃｅｐｔｕａｌｅｘｅｃｕｔｉｏｎ，ｎａｖｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄｍｏｎｉ⁃ｔｏｒｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｏｎｌａｙｅｒｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｒｅｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅｓ，ｎａｍｅｌｙｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ｈｕｍａｎ⁃ｒｏｂｏｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｎｏｄｅｓ，ａｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒ⁃ｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅｂａｓｅｄｏｎＲＯＳｃａｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｔｈｅｗｏｒｋｏｆｅａｃｈｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅ．Ｉｔｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙａｓｈｏｒｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅａｎｄｇｏｏｄｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ㊀ｍｏｎｉｔｏｒｓｙｓｔｅｍ；ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｒｅｍｏｔｅ⁃ｏｐｅｒａｔｅｄｖｅｈｉｃｌｅ；ｓｙｓｔｅｍｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｒｏｂｏｔｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｓｅｎｓｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌ３４１学报（自然科学版），２０１９，１１（２）：１３８⁃１４３ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１９，１１（２）：１３８⁃１４３。

图1 固定坐标系和运动坐标系图2 航向闭环控制结构图3339 2017.1。

固定坐标系的原点E轴指向地理北轴指向地心动坐标系的原点一般取为ROV上的一点轴与ROV辅助对称轴一致1.2 空间运动方程ROV在水下做6自由度的空间运动，具体定义如下退：沿x轴正向为前进，沿x轴反向为后退；侧移：为右移，沿y轴反向为左移；潜浮：沿z轴正向为下潜忽略相互垂直面内的运动耦合，运动方程可化简为(7)如果ROV重心和运动坐标方程原点重合又可化简为：(11)(12)(13)(14)作为闭环输入PID调节后输出控制电机的电压叠加至上位机操作机构发出的进退经推力分配环节和限幅后流电机保持设定的航向示。

图3 Simulink仿真结构框图图4 阶跃输入信号图5 响应曲线3440ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD2017.12.2 ROV转向运动传递函数ROV水平面内推进器为环形分布，在进行航向调节时，假设推进器输出的推力大小相同，力矩的作用方向相同，总的推力矩可表示为：（15）当水下机器人做转向运动时，所受阻力主要来自水动力和脐带干扰，采用公式(16)来估算ROV的阻力矩。

（16）式中，N r——水下机器人转艏运动时的阻力系数；r——水下机器人转动角速度；由此可得在水平面内做转向运动的简化运动方程上述模型是一个非线性系统，转动角速度较低，可以将r2在r=0处进行泰勒展开(18)可以化简为：又因为（为转过的角度对上式进行拉氏变换2.3 电机与推进器传递函数其中，T为电机机械时间常数螺旋桨的推力和转速的平方成正比进行模型和闭环控制研究其中，2)(nnf=，)可在n的附近用泰勒级数展开其中042nDKCTr=，略去增量符号得对上式进行拉氏变换CsG=)(图6 闭环模拟试验结构框图[1]孙玉山,梁霄,万磊,等.一种开架式水下机器人控制技术的研究[J].四川大学学报.2008,40(2): 147-152.[2]晏勇,马培荪,王道炎,等.深海ROV及其作业系统综述[J].机器人,2005,27(1):82-89.[3]朱康武,顾临怡.作业型遥控水下运载器的多变量backstepping鲁棒控制[J].控制理论与应用[4]边宇枢,高志慧,贠超. 6自由度水下机器人动力学分析与运动控制[J].机械工程学报,2007,43(7):87-92.[5]唐旭东,庞永杰,李晔.水下机器人运动的免疫控制方法[J].电机与控制学报,2007,11(6):676-680.[1]Ted Marena,Jenny Yao.物联网中的硬件安全性[J].电子产世界,2016(9):19-20.[2]王金旺.银行卡换芯工程提速，“中国芯”渐行渐近[J].电子产世界,2016(10):23-24.[3]曾楠,周芝梅,赵东艳,等.基于Cortex-M3的北斗二代基带芯片设计[J].电子产世界,2016(11):59-61.。

水下机器人控制系统的设计与实现随着科技的不断发展，水下机器人成为了探索海底、进行深海勘探的一种必备工具。

而水下机器人控制系统则是保障水下机器人顺利进行任务的核心。

本文将介绍水下机器人控制系统的设计与实现。

一、系统架构设计水下机器人控制系统的架构设计包括硬件、软件两部分。

硬件部分主要包括传感器、执行机构、控制器等，软件部分则包括控制算法、操作界面等。

1.传感器选择水下机器人的传感器需要具有一定的防水性能和高精度，同时要能够适应不同深度下的环境变化。

水下机器人常用的传感器有：（1）水压传感器：能够测量水下机器人在不同深度下的压强，为水下机器人控制提供数据支持。

（2）陀螺仪、加速度计、磁力计：组合使用，能够测量水下机器人的航向、姿态、加速度等基本参数。

（3）相机：能够拍摄水下环境的照片和视频。

2.执行机构选择水下机器人的执行机构需要具有较强的抗腐蚀性、高可靠性和精准性。

常用的执行机构有电机、液压缸、气动缸等。

3.控制器选型控制器是水下机器人控制系统的核心部件，需优先考虑防水性能，同时还要具备良好的数据处理和传输能力，以及强大的实时控制能力。

常用的控制器有PLC、单片机、嵌入式系统等。

4.控制算法设计控制算法的设计是决定水下机器人性能的重要因素。

由于水下机器人的复杂性，控制算法的设计需要考虑到航行、姿态控制、深度控制等方面的要求，并且要适应不同的海底情况。

常用的控制算法有PID控制、模糊控制等。

5.操作界面设计操作界面的设计是用户与系统进行交互的重要方式，需要保证界面简洁明了，同时还要具备易操作性和实用性。

二、系统实现方法系统实现方法主要包括传感器、执行机构、控制器等硬件的选购和连接，控制算法的编写以及操作界面的设计。

下面以一个自主水下机器人为例，具体阐述系统实现方法：（1）传感器选择：选用水压传感器、陀螺仪、加速度计、磁力计等传感器。

（2）执行机构选择：选用电机驱动舵机、水下推进器等执行机构。

（3）控制器选型：选用高性能防水工业计算机作为控制器。

桨舵结合的ROV运动控制系统设计发布时间：2023-02-23T00:56:43.803Z 来源：《中国科技信息》2022年第33卷17期作者：查智[导读] ROV（缆控水下机器人）的主要任务是进行水下目标探测和水下目标处理查智中国船舶集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003摘要：ROV（缆控水下机器人）的主要任务是进行水下目标探测和水下目标处理，需要ROV具有较好的运动控制性能。

传统的ROV的推进系统设计主要采用多个推进器布局的方式，该方式在ROV航行速度不高时可以满足作业需要，但当ROV航行速度较高时，垂向运动控制效果不佳，如果采用水平舵机控制ROV高速航行时的垂向运动，则可解决这个难题。

本文主要介绍以下几个方面内容：ROV总体布局设计；ROV控制系统设计；ROV运动控制算法设计。

该ROV经过海上航行试验表明： ROV具有良好的下潜能力，且ROV在不同航速下运动控制特性好，航行姿态平稳。

该设计突破传统设计理念，对ROV的工程设计具有较好的借鉴意义。

关键词：ROV；控制系统；垂向运动；运动控制算法0 引言传统ROV的推进系统设计多采用多个推进器布局的方式，采用该方式的ROV在中、低速航行时具有良好的运动控制性能，但当ROV以较高速度航行时，ROV的垂向运动难以控制，主要原因是ROV高速航行时对垂向推进电机的速度响应和推力大小比较敏感，很难保证它们完全匹配。

因此，在ROV的尾部装配一套水平舵机用于辅助控制ROV的垂向运动，当ROV航速较高时采用水平舵机控制ROV垂向运动，当ROV航速较低时采用垂向推进电机控制ROV垂向运动，当ROV处于中等航行速度时，采用水平舵机和垂向推进电机结合方式控制ROV垂向运动。

采用推进电机与水平舵机相结合的布局方式既保证了ROV在低速时具有较好的运动特性，又可保证ROV在高速航行时的运动控制效果。

此外，传统的ROV设计中，中央控制单元与各执行机构之间多采用模拟信号方式进行信号采集和控制，该方式存在布线复杂、抗干扰性能差、故障诊断困难等缺点；本文中，中央控制单元与各推进器、惯性导航装置、水平舵机、北斗接收装置、深度计、倾角传感器等均采用数字接口进行通信，该方式大大减小了中央控制单元的任务处理量，简化了控制系统的软、硬件设计，提高了ROV的数字化水平，为开发更加复杂的系统提供了基础。

基于Arduino的服务机器人控制系统设计与实现封斌;闫志烨【摘要】设计并实现了基于Arduino开源电子平台的服务机器人控制系统及对应的移动平台，主控系统为PC机或智能手机，作为移动平台的智能小车车架上搭载了Arduino控制板、电机、电源、蓝牙等功能模块和多种传感器，主控系统通过蓝牙模块向移动平台传送控制指令，移动平台按接收到的指令执行对应动作并采集状态信息和传感器数据上传至主控系统.实验表明该系统具有控制方式灵活、系统扩展能力强、开发成本低、适用面广等特点.【期刊名称】《广州航海学院学报》【年(卷),期】2018(026)001【总页数】4页(P63-66)【关键词】Arduino；服务机器人；控制系统；蓝牙【作者】封斌;闫志烨【作者单位】[1]广州航海学院信息与通信工程学院,广东广州510725;[1]广州航海学院信息与通信工程学院,广东广州510725;【正文语种】中文【中图分类】O325按照国际机器人联盟(IFR)的分类[1]，机器人可分为工业机器人和服务机器人，工业机器人一般用于制造业生产环境，其工作环境为已知，对精确度要求高，而服务机器人一般用于生活等非制造业环境，需要在复杂多变或不确定的环境下自主运行，注重对环境和事物的识别，需具备感知、理解、判断、人机交互以及独立行动等能力.近年来服务机器人技术在家庭、教育、公共服务、医疗等领域实现了一系列突破性应用.根据麦肯锡全球研究院(McKinsey Global Institute)的预测[2]，到2025年，全球服务机器人产业每年将产生1.1～3.3万亿美元的经济效益.我国各级政府主管部门对机器人产业的发展给与了高度重视，2016年3月，工信部、发改委、财政部联合发布了《机器人产业发展规划(2016—2020年)》[3].2015年8月，国务院发布了强化高端制造业的国家战略规划《中国制造2025》[4]，在列出的重要产品中指明：“重点开发养老助残、家政服务、社会公共服务、教育娱乐等消费服务领域机器人；重点开发医疗康复机器人、空间机器人、救援机器人、能源安全机器人、无人机等特种机器人”.本文设计并实现了一个面向家庭服务机器人的控制系统，实现了移动平台运动性和自由度控制，在该平台上可通过搭载各种功能模块以实现远程监控、视觉分析、路径规划、行为感知、自然语言交互等智能扩展.1 控制系统总体方案本项目的服务机器人从逻辑框架上可分为移动平台和主控端两部分，系统框图如图1所示：图1 基于Arduino的服务机器人总体框图(1)移动平台：基于Arduino开源电子平台的智能小车.智能小车为本系统提供移动定位和功能模块搭载能力，通过蓝牙模块接收主控端下达的命令，可移动定位到任意位置，并通过小车搭载的舵机精确控制多种外设的状态，如摄像头、机械臂等，同时，采集移动平台的状态信息和各传感器信息并上传给主控端.(2)主控端：PC机或智能手机.主控端控制智能小车移动和舵机定位，控制智能小车上搭载的外设的动作，以及获取智能小车上搭载的各种传感器数据并进行融合、分析、判断和决策.2 硬件子系统设计硬件子系统包括了控制模块、电源及驱动子系统、传感器及外设模块、机械结构等.下面仅对控制主芯片、电机驱动板、电源、蓝牙、舵机模块的实现进行说明.2.1 Arduino单片机模块—UNO R3Arduino是一款开源电子设计平台，核心控制器为低价格的AVR系列微控制器，可在类似Java、C的开发环境下，通过基于Wiring的Arduino编程语言进行编程，编译成二进制文件后烧录进Arduino微控制器中[5].Arduino开发环境将编程中的常用功能封装成对应的子函数供开发者调用，开发者只需着眼于程序的逻辑实现，从而得以从繁杂的底层函数具体编码中解脱出来，显著降低了系统开发的难度. 本项目选取的是Arduino Uno R3原型板，微控制器为8位微处理器ATmega328，该处理器片内包含32 KB Flash，其中BootLoader占用了0.5 KB，2 KB SRAM，1 KB EEPROM，时钟频率为16 MHz.2.2 电机驱动模块—L298N使用直流电机必须要解决三个问题：1)如何增大驱动；2)如何实现换向；3)如何实现调速.上述问题可以通过纯硬件、纯软件或硬软结合的方法解决.当前绝大多数产品中一般直接选用专用驱动芯片，常见的专用驱动芯片有L298N、BST7970、MC33886等.从价格、驱动电流及压降等方面综合考虑，本项目选择了基于L298N芯片的电机驱动板.L298N是ST公司生产的一种高电压，大电流的电机驱动芯片，可以驱动一台两相步进电机和四相步进电机，或驱动两台直流电机.以左电机为例，如果要对直流电机进行PWM调速，则首先设置IN1和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端ENA输出PWM脉冲，即可实现调速.Arduino通过函数analogWrite()改变PWM占空比来给直流电机调速，该函数给指定端口写入一个模拟值(PWM波)，即可实现以不同的速度驱动马达.analogWrite()函数在指定端口输出一个可定义占空比的方波，直到有下一个设置命令到达.2.3 电源模块—L298N+18650电池组直流电机属于大功率的器件，所需电流较大，而微处理器I/O口所能提供的电流较小，必须通过驱动电路板给直流电机单独提供电源输入.该电源除为直流电机提供电源外，还可通过L298N驱动板上的降压电路输出5 V电源，供给Arduino控制板和电机驱动板自身的逻辑电路使用.本项目选择了型号为37B280的两个减速直流电机作为移动平台的驱动轮，其输入电压为4.5 V，每分钟102转.选用2个2 500 mah的18650锂电池串联为直流电机提供的外部电源，同时经过L298N电机驱动板上的降压电路为驱动板自身及Arduino控制板提供5 V电源.18 650锂电池具有容量大、寿命长、安全性能高等特点，适合嵌入式、便携式电子产品使用.将一个直流电机到接驱动板的out1/out2引脚时，电机驱动板与Arduino控制板之间的引脚接线对应关系见表1.表1 电机驱动板与Arduino UNO引脚连接关系L298N驱动板ArduinoUno说明GNDGND+5V5VENA引脚6高电平有效，也可接入PWM接口给电机A调速IN112控制电机A转向IN213控制电机A转向out1/out2接4．7V102rpm减速直流电机Vcc18650电池组，7．4V2.4 蓝牙模块—HC-06本项目采用蓝牙模块来实现上下位机之间的数据通信的原因为：1)蓝牙模块成本低，便于对底层运行平台进行扩展；2)大多数Android智能手机均配有蓝牙模块，且基于蓝牙的串口通信程序较多；3)蓝牙通信模式为一对一的通信，可以避免远距离时对机器人的误操作.HC-05和HC-06是现在使用较多的两种蓝牙模块.两者之间的区别是HC-05是主从一体机，而HC-06只能工作在从机模式下.本项目选取了HC-06模块.其与Arduino控制板间的接线引脚说明见表2.接好连线后，就可以在手机上通过蓝牙串口助手与移动平台上蓝牙模块进行配对，配对成功后，则可进入下一步的通信测试.蓝牙配对成功后，直接占用Arduino的Rx/Tx端口与蓝牙主机进行通信，因此在代码里看到是读取串口，并没有初始化蓝牙模块的函数.2.5 舵机模块—SG90舵机是由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统，控制器通过发送信号，可精确指定舵机输出轴转动的角度.本项目选取的舵机的型号为SG90，尺寸：21.5 mm×11.8 mm×22.7 mm，重量9 g，无负载速度0.12 s/60度(4.8 V)，堵转扭矩：1.2～1.4 kg/cm(4.8 V)，工作电压：4.8～6 V.用Arduino控制舵机的方法有两种：1)通过Arduino的普通数字传感器接口产生占空比不同的方波，模拟产生PWM信号进行舵机定位；2)直接利用Arduino自带的Servo函数进行舵机的控制，其优点在于易于程序编写，但只能控制2路舵机.本项目采用了第二种控制方式.3 软件设计本项目中的软件设计主要分为上位机和下位机两大部分，上位机软件运行在充当主控端的Android智能手机上，下位机软件运行在Arduino控制器上.两者之间通过蓝牙模块进行数据通信.上位机向下位机发送指令，下位机接收并解析指令，并控制移动平台完成对应的动作，下位机同时定期采集移动平台上相关模块的状态及各传感器的数据，并上传给上位机显示及后续分析.3.1 上位机(手机端)软件本项目中通过现有的APP软件蓝牙串口助手来快速实现手机上控制指令的下达，而在系统实用阶段，可根据需要在手机上开发专用界面.打开手机的蓝牙模块，与移动平台的蓝牙模块配对，配对成功后，即可进入上下位机通信测试.蓝牙串口助手可以自定义按键发送的字符串.3.2 下位机/Arduino控制器程序Arduino控制板上的程序实现接收并分析上位机下发的指令，同时采集移动平台上搭载的相关模块状态及传感器的数据并上传至上位机.下位机上的程序可分为蓝牙通信模块、命令解析模块、电机控制模块、舵机控制模块、继电器控制模块、传感器数据采集及上传模块等.下位机程序处于循环体中，直到系统断电停机.下位机主体程序流程图如图2所示.图2 下位机控制程序流程图4 联调与测试将直流电机、舵机、LCD、蓝牙、L298N、继电器、电池模块等器件都安装到智能小车的车架上，通过车载的面包板进行线路连接，然后进行系统整体联调.系统联调成功时PC侧Arduino IDE窗口调试信息和手机侧蓝牙串口APP界面见图3. 图3 系统联调窗口截屏图5 结论本项目实现了家庭服务机器人的移动平台和主控平台原型系统，在此基础上，可以在移动平台上加入循迹、避障、wifi等功能模块实现对应的功能扩展，还可再搭载其他处理器板实现视频传输、手势识别、语音对话、姿态识别等功能.而主控平台可编写对应的控制界面及实现传感器信息融合、分析决策等.本项目实现的服务机器人具有控制方式灵活，系统扩展能力强，开发成本低等特点，适用于教育、科研、家庭等多种应用场合，也可作为机器人研究的载体平台，具有广阔的应用前景.参考文献：[1] 陈亮.IFR发布最新全球服务机器人统计报告[J].机器人产业，2016，18(2)：27-34.[2] 李牧风.从机器走入“人”的时代[J].中国科技奖励，2015 (8)：21-23.[3] 工业和信息化部、国家发展改革委、财政部.《机器人产业发展规划(2016—2020年)》[R].北京：工业和信息化部、国家发展改革委、财政部，2016.[4] 国务院.《中国制造2025》[R].北京：国务院，2015.[5] 王尊冉，庞俊腾，陈均键，等.基于Arduino控制板的数据采集智能小车的控制系统设计与实现[J].计算技术与自动化，2017，36(1)：66-73.。

基于ROS机器人操作系统的水下机械臂控制系统的研究本文以 R5M 水下机械臂为控制对象，以水下机械臂的实际应用场景为参考，研究了水下机械臂控制系统的集成，提出了一种水下机械臂控制系统的设计方案。

首先对控制系统的结构进行了介绍，其次使用 Zynq-7020 全可编程硬件平台搭建水下机械臂控制系统的硬件框架，再使用ROS 机器人操作系统搭建水下机械臂控制系统的软件框架。

最后通过实验平台，测试控制系统软件平台的功能。

关键词：水下机械臂；ROS机器人；控制系统1．国内外水下机械臂研究现状1.1国外水下机械臂研究现状西方国家较早开始对海洋的探索，在发展水下设备的过程中开展了水下机械臂的研究，经历了50多年的发展，技术相对成熟。

且随着水下机械臂技术的不断完善与应用场景的增多，逐步向商用化方向发展，许多外国公司相继推出了更多针对不同应用场景的商用水下机械臂。

美国Schilling公司是著名的水下机器人公司，其研发的Orion7P是一款重型七功能液压水下机械臂。

重量为54kg，一般搭载于中型 ROV上进行水下安装与勘探任务。

Titan4也是一款七功能水下机械臂。

区别于Orion7P，Titan4的重量更高，达到100kg，专为重型ROV搭载设计，采用液压驱动方式，可以抓取搬运400kg重量以内的物体。

英国科技公司Hydro-lek科技公司设计了多款专为小型 ROV 搭载的水下机械臂，HLK-4000-5是一款五功能的水下机械臂，HLK-4200-4是一款四功能水下机械臂。

两款水下机械臂都采用了液压驱动的方式，适用于轻型ROV搭载，可以在2000米水深内进行作业。

1.2国内水下机械臂研究现状我国自1980年起开始对水下机器人和水下机械臂进行研究，相较于发达国家而言，国内该方面研究起步较晚，缺乏技术的积累，具有较大的差距。

目前我国水下机械臂的研究大多处于实验室科研阶段，缺乏商用水下机械臂产品，在海洋探索研究等领域所使用的水下机械臂依旧依赖于进口产品。

专利名称：一种用于ROV水下机器人的控制系统
专利类型：实用新型专利
发明人：管志光,张东,姜茹,王恒玉,马仁龙,李建金,杨远山,王磊,魏会心,杨涛,张尊儒
申请号：CN201821095483.8
申请日：20180711
公开号：CN208421636U
公开日：
20190122
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供一种用于ROV水下机器人的控制系统，属于ROV技术领域，包括水下控制部分和母船控制部分。

水下控制部分包括水下控制器、双目视觉定位系统、传感器组、推进器组、机械手，水下控制器中集成有陀螺仪，水下控制器通过USB连接双目视觉定位系统，水下控制器的模拟量输入端与传感器组相连，水下控制器的PWM输出端与推进器组相连，水下控制器的IO输出端与机械手相连。

母船控制部分包括母船控制器、操作手柄和液晶显示屏，母船控制器的模拟量输入端与操作手柄相连，母船控制器的LCD接口与液晶显示屏相连。

水下控制器和母船控制器之间通过CAN总线相连。

本实用新型可以实现ROV水下机器人平稳运行，提高ROV水下机器人的操作精确性。

申请人：山东省科学院自动化研究所,山东交通学院
地址：250014 山东省济南市历下区科院路19号
国籍：CN
代理机构：济南誉丰专利代理事务所(普通合伙企业)
代理人：李茜
更多信息请下载全文后查看。

水下机器人运动控制系统设计与实现
水下机器人运动控制系统设计与实现
杨建华;田守业
【期刊名称】《电子产品世界》
【年(卷),期】2017(024)001
【摘要】本文针对水下机器人(Remote Operated Vehicle)的功能和控制需求,建立了ROV运动学模型,设计了ROV闭环定向控制系统.基于PID控制方法,进行了Simulink数学仿真和模拟闭环仿真,计算机仿真试验表明,系统能够较快地稳定到设定值,能够满足对ROV定向控制的要求,航向闭环模拟试验验证了控制系统的可靠性.
【总页数】4页(33-36)
【关键词】水下机器人;控制系统;闭环控制;PID控制
【作者】杨建华;田守业
【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院陕西西安710072;中国人民解放军92474部队海南三亚 572018
【正文语种】中文
【中图分类】
【相关文献】
1.水下机器人嵌入式控制系统设计和运动控制仿真[J], 周丽丽; 孙晶; 王涛; 杨阳; 陈庆文
2.水下机器人运动控制系统设计与分析[J], ZHANG Huan-Huan; TIAN Jun-Wei; XIONG Jing-Wu; ZHAO Yan-Fei; SHI Ke-Lu
3.柔性长鳍波动推进仿生水下机器人控制系统设计与实现[J], 谢海斌; 张代兵;。

水下机器人(ROV)系统
天津海事局海测大队
【期刊名称】《中国海事》
【年(卷),期】2010(000)005
【摘要】@@ 水下机器人(ROV)系统是一种新型水下探测工具,通过其配备双频识别声纳系统、光学黑白、彩色摄像系统对水下特定目标进行水下摄像,主要用于搜寻探测水下目标物(高于海底),可利用ROV系统配备机械臂完成水下目标物的抓取或绳索绞断等,在潜水员不便下潜时替代潜水员下潜完成探测工作.
【总页数】1页(P26)
【作者】天津海事局海测大队
【作者单位】
【正文语种】中文
【相关文献】
1.水下穿越管道检测新技术—水下机器人River-ROV外腐蚀检测 [J], 郝毅
2.水下机器人（ROV）液压系统的泄漏原因及对策 [J], 邱可;曹江;韩超;曾阳生
3.观察型水下机器人ROV系统配置研究 [J], 桑金
4.遥控水下机器人（ROV）结构综述——以hysub130—4000ROV系统为例 [J], 陈宗恒;盛堰;陶军
5.以太网通讯技术在ROV(水下机器人)系统中的应用 [J], 蒋喻栓[1];袁雷[1]
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。