叶向荣
中海辉固地学服务（深圳）有限公司 广东省深圳市 518000
摘要：随着我国社会经济与科学技术的发展，作业型水下机器人得以研发，并且应用在市场中各个领域。从科技角度上来看，作业型水下机器人具有高效性技术手段特征，能够在各种环境下开展海底探索作业，并且通过系统调节控制功能，完成某些水下作业或海底探索管理任务。在地球陆地资源日益贫乏的今日，人口基数仍不断增长，资源供不应求，逐渐呈现负面效应，陆地上很多资源都成匮乏之势，不利于社会可持续发展，而海洋中的大量生物资源与矿产资源尚未得到开发，是国家重要的能源储备地，海洋资源的开发与利用备受社会各界人士关注，当前世界各国对海洋资源开发利用的重视程度逐渐增长，也是我国社会发展的主要目标之一。作业型水下机器人是开发海洋资源的前提条件，所以本文将对水下机器人姿态调节控制策略进行具体研究。
关键词：作业型；水下；机器人；姿态调节；控制
上文中我们已经具体阐述了作业型水下机器人的运用领域重要性，但是通过实践调查与相关资料分析可以了解到，实践作业中，水下机器人载体上的机械手伸展过程，将会引起载体重心发生变化，进而出现机器人纵横倾斜运动现象，对机器人水下作业效率造成严重影响。研究期间，我们结合谁家机器人控制系统各个部件综合考虑，发现将模糊滑模控制方案带入到其中，且根据实际情况设计出的模糊滑模控制器能够有效缓解上述现象。同时，通过计算机技术与Matlab技术，结合机器人姿态运动方程和常规PID控制、模糊滑模控制分别结合，开展仿真分析工作。结果表明：相对于常规PID控制而言，模糊滑模控制在机械手关节正弦运动时，横倾斜姿态角度误差有效缓解，纵倾斜姿态角误差也在一定程度上得到解决。由此可见，通过模糊滑模控制，调节水下机器人作业姿态更加科学，调节控制水平进一步提升，在这样的前提下，研究单位或个人还可以利用计算机技术，实现缩短研究周期、提高研究效率的目标。
1·水下作业型机器人作业理念分析
水下机器人是一种科技机电设备，研发中涉及人工智能技术与水面控制技术两项新兴技术，运用期间能够实现水下综合作业，水下机器人是依据海洋科技工程而研发与设计的，能够开展其他水下装置不能实现的极限作业。从客观角度上来看，虽然我国科技高速发展，但对于海底世界的探索仍处于初级阶段，未知的海底资源和事物有太多。但由于海底环境条件复杂，加上存在不可预知性，人体潜水深度又十分有限，所以要想人工开展海底探索工作几乎是不可能的，而通过遥控技术与水下机器人手段的结合，人类的海洋探索之旅更进一步，也为一些海底作业提供了强大的技术保障。当前，水下机器人被广泛应用到海底管道探查、资源勘察、科学探查、海底搜救等领域，且为业内人士所信赖，成为了海底世界探索的主要工具[1]。
2·作业型水下机器人分类
2·1自主型水下机器人
作业型水下机器人类型有很多，其中自主型水下机器人具有较好的潜水潜质，潜水深度更深，并且智能化特征更强，具有自主性。所以相对于其他机器人类型而言，自主型机器人内部结构极为复杂，需要庞大的系统技术支持下才得以完成设计，与此同时，机器人通过欠驱动形式在水中运行，就自主型水下机器人而言，据Auvac数据库查询可以明确，当前世界范围内自主型水下机器人超150种，其系统配置方案超过250种，引进自主型水下机器人的国家，一般会借助机器人实施深海生物取样、管道维修作业、水下救援等活动。
2·2遥控型水下机器人
除了自主型水下机器人，当前较为常见的还有遥控型水下机器人，遥控型水下机器人与传统水下作业设备相比，突破了深海作业时间上的限制。在智能化水下操作平台配置背景下，可以省去大量人力，也不必安装载人潜水器，操作流程更加简化，提高了海洋探索及航舰作业安全性。
实践中，电缆成为遥控型水下机器人与水面母船之间连接的桥梁，通过脐带电缆向水下传输动力，进而双向传输控制与数据传递，目标得以实现，但是这里需要注意，脐带电缆受到诸多因素影响，传输动力与数据交互过程中容易受到限制，遥控型水下机器人只能在有限范围内作业，一旦电缆脐带缠绕在一起，那么则安全率大大降低，还容易引发安全事故，给操作人员造成伤害[2]。
3·作业型水下机器人姿态调节控制存在的问题
作业型水下集群姿态的调节控制，对机器人运行效率具有直接影响，其作业运行过程中，附加力对机体和机械臂造成影响，致使机体和机械臂也产生阻力、粘连性或受质量力影响。同时，机器人进行潜水作业过程中，机械臂姿态会受到海流与海量影响，在海流海量不断变化情况下，机械臂操作情况与理想操作情况出现偏差。其次，作业型水下机器人运行期间，各组成部分之间容易产生耦合问题，如机器人进行水下取物或管道维护作业时，操作者必须保持机体稳定、平衡，根据实际情况有效控制机械臂，由此可见，机器人系统协调控制难度较大[3]。
4·作业型水下机器人姿态调节控制对策
4·1webots三维仿真平台与姿态控制系统参考坐标系的构建
为了有效调节控制作业型水下机器人姿态，管控人员可以通过webots三维仿真平台，在虚拟世界中对虚拟系统进行构建，之后设计带有自由度的水下机械臂，并且为其配置浮力材料。在机械手臂与水下推进器三维模型构建前提下，将惯导传感器安置在系统中，合理设置机械臂与机械臂浸没属性与物理属性，这样可以有效解决水阻系数偏差问题，缓解工作环境、液体黏度对机器人作业产生的影响，之后在了解作业型水下机器人运作需求的情况下，对机器人姿态调节控制系统各坐标之间转换关系进行分析，明确机械末端执行器姿势，为后续机器人姿态控制系统建模提供参考依据[4]。了解机体受力情况后，具有针对性制定机器人水下动力模型，并且构建与其相符的系统动力矩阵，以切片理论为指导，探究机器人机械臂受水动力影响的表现形式，进而详细分析机械臂加速度、杆件速度等内容。
4·2推进器空间PID控制器的科学设置
分析作业型水下机器人作业需求，通过推进其配置信息方式，在各个推进器中安排系统平动误差与旋转矩阵误差，要保证每个推进器中有一组旋转PID控制器和一组平动PID控制器。两组控制器的作用分别是作为推进器输出和输出，对不具备机械臂的推进器进行配置，这是通过推进器配置机体运动仿真方式实现的，这样不仅可以提高机器人姿态调节控制敏捷度，还节省了大量工程应用中整定参数花费的时间。
总结语：
综上所述，随着我国水下工程的发展，水下机器人研究也不断进步，但由于水下作业及机器人操作难度过大，所以作业型水下机器人仍存在姿态调节控制问题，对作业型水下机器人工作水平与效率造成不利影响。所以必须加强机器人姿态调节控制相关研究，积极引进先进技术和优秀的改进手段，更好地开发海洋资源，展现我国科技创造优势，同时促进机器人行业发展。
参考文献：
[1]贺宜聪, 王立涛, 郑冬兵. 水下机器人姿态稳定保持的控制策略研究[J]. 中国机械, 2019, 000(010):72-73.
[2]周正权, 郭冀江, 陈祎l. 一种用于导管架平台结构清洗与检测的新型水下机器人总体设计初探[J]. 清洗世界, 2019, 035(012):25-29,35.
[3]朱俊, 张洪星, 邵静. 经济型适用复杂环境作业的水下机器人结构设计初探[J]. 中国战略新兴产业, 2020, 000(010):127-130.
[4]蒋喻栓, 陆予洋. 浅谈重载工作型水下机器人(ROV)海试验收方法[J]. 化工管理, 2020, 000(011):159-160.