遥控水下机器人扩展接口设计

国土资源部广州海洋地质调查局 胡 波 田烈余 陈春亮

1.前言

海洋占地球总面积的70.8%，蕴藏着丰富的海洋资源，要开发和利用海洋，就必须了解和探索海洋。遥控水下机器人（ROV）作为先进的海洋探测工具已经广泛应用到海洋环境，海洋工程和海洋地质等方面的科学考察上。目前世界上很多海洋科研机构都配备有用于科学考察的ROV系统，如日本JAMSTEC（日本海洋技术研究中心）配备有Kaiko号ROV系统，美国WHOI（伍兹霍尔海洋研究所）配备有JASON号ROV系统，法国Ifremer（法国海洋开发研究院）配备有Victor 6000ROV系统，我国的大洋一号和海洋六号船分别配备有海龙号和海狮号ROV系统。ROV不仅作为一个深潜器工具，更重要的是作为一个海洋科学考察和科学研究平台，可以根据海洋科考的需要而配置和搭载不同的传感仪器及取样作业工具，为海洋探测提供了灵活多样的技术方法。

Hysub130遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicle，以下简称ROV）系统是国内首套4000米级深海作业型ROV，以海洋六号船为母船，主要用于我国海洋资源调查和海洋科学调查，也可以进行水下拯救和打捞等工程作业。为了获取海底目标点的海洋物理环境参数，很有必要对ROV系统的功能进行扩展，以便大大提高ROV系统的集成作业能力。本文以Hysub130 ROV系统结构体系为基础，介绍了其功能扩展。

2.总体概述

Hysub130 ROV的控制系统主要是由甲板控制室和水下电子舱组成，二者之间通过脐带缆单模光纤通过光端机进行通讯。水下电子舱cPCI计算机和甲板控制室的水面控制计算机组成基于100/1000 Base T以太网分布式控制体系架构，为系统的扩展提供接口。

常规海底传感器比如CTD和甲烷传感器等在ROV系统上的扩展应用主要包括通讯和控制三部分，Hysub130 ROV系统为方便用户扩展专门设计提供了扩展电子舱，主要的功能扩展都在扩展电子舱里展开。

控制系统的电源扩展主要是利用ROV系统的备用120VAC电源在扩展电子舱里进行24伏直流电源模块的扩展，用于给扩展传感器及其扩展控制板供电。通讯和控制的扩展是基于ROV以太网分布式控制体系进行扩展，扩展电子舱通过网络与主控电子舱里的光端机连接，将其内的串口网络服务器连接到ROV系统的控制网络，通过网络扩展RS232串口为传感器及其嵌入式控制板提供通讯通道。ROV控制室内的扩展应用上位计算机通过网络来控制传感器开关并接收其采集到的数据。扩展电子舱提供有水密接头的扩展接口，通过水密缆及接插件连接扩展用海底传感器。

3.通讯接口扩展

3.1 以太网串口服务器（ESP904）

ESP904是B&B公司专为苛刻的工业环境应用而设计的VlinxTM ESP系列以太网串口服务器，可自动侦测10/100Mbps以太网端口，支持TCP服务器、TCP客户端、UDP、虚拟COM和配对（Pair）模式，可设置RS-232、RS-422或者RS-485端口及半/全双工通讯方式。ESP904提供有不同的接口方式来配置以太网串口服务器，主要包括ESP管理器软件、网页服务器、控制台模式和远程登录模式等，ESP904灵活的配置和用户管理软件可以很方便满足用户的通讯扩展需求。

为了实时接收和显示传感器数据，在ROV控制室配置有用户PC，因而将VLINX ESP管理器安装在用户PC上，运行VLINX ESP管理器后自动寻找并显示网络上所有ESP904串口服务器的名称、IP地址、网络协议、端口号及端口状态，选择串口服务器上与传感器设备相连接的串行端口，为了满足传感器设备的通讯要求，将ESP904设置为TCP服务器并配置为虚拟COM口模式，并在ESP管理器上设置与扩展传感器设备相匹配的波特率。ESP管理器软件中的Install Virtual COM在windows中安装完驱动程序后，虚拟串口驱动的就是TCP或者UDP客户端，新的COM口出现在计算机的Windows设备管理器中，从而在ROV控制系统的局域网中的计算机和以太网串口服务器的IP地址间创建了一个虚拟的连接，局域网对程序和串口设备是透明的，串口设备与PC上的物理COM口建立了直接连接。虚拟串行端口软件将应用数据转换为IP数据包，并通过网络发送到ESP904，ESP904将IP数据包转换为串行数据，并把数据发送到ESP904上的串行端口。

3.2 控制系统扩展

水下变压器提供的120VAC交流电通过Victor的FARM模块进行过滤和整流，以满足控制系统的电源需求。为考虑后期扩展设备的需求，DC-DC直流转换模块的输出功率为320W@24伏，因此选择来自于FARM模块的输出功率为375W（假定直流转换模块的效率为85%），选择V300A24C500BL为DC-DC转换器，提供24伏直流电源输出。FARM模块具有一个AC前端模块，可兼容Vicor的300V的输入DC-DC转换器，以实现自动调节，高密度和低功耗的开关电源。该模块包括一个微控制器，可连续监视AC控制线桥接器/倍增器操作，具有EMI滤波，能自动调节整流，限制浪涌电流和过电压保护，用户只需要添加的保持电容和几个分立元件，以满足系统的要求保持。

通过电源和通讯通道扩展之后，ROV控制室和水下部分之间就建立了连接，水下嵌入式控制板采用的是32位ARM芯片，主要功能是与上位机控制软件建立通讯并执行上位机软件发送的命令控制CTD等传感器设备的电源，并将电源开关状态返回给上位机软件。上位计算机成功安装完ESP904驱动后，局域网对程序和串口设备是透明的，可以在上位计算机的设备管理器里找到扩展电子舱里的ESP904通过网络虚拟的4个串口，并将其中的2个串口分别分配给传感器和嵌入式控制板的上位机软件。

4.小结

Hysub130 ROV系统的功能扩展模块集成到ROV系统后，通过该系统联调测试，该扩展技术方案完全可行。随着ROV系统在海洋区域地质调查中的广泛应用，ROV系统需要配置和扩展更多的传感器和工具，该扩展接口完全能够满足扩展传感器和工具的需求，为将来更多的海洋传感器在ROV上的应用提供了技术方法参考和应用经验，使得ROV系统在我国的海洋区域地质调查中能够发挥更大的作用。

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