基于水下激光雷达传感的液压飞头对接系统与控制技术研究

2017-08-30程友祥叶天源谭西都刘晨曦宋琦

中国设备工程 2017年16期

关键词：定位导航位姿激光雷达

程友祥，叶天源，谭西都，刘晨曦，宋琦

（重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆 401121）

基于水下激光雷达传感的液压飞头对接系统与控制技术研究

程友祥，叶天源，谭西都，刘晨曦，宋琦

（重庆前卫海洋石油工程设备有限责任公司，重庆 401121）

液压飞头水下对接质量很大程度上受水下机器人（ROV）定位导航精度的制约。针对对接过程中声学传感器的作用距离无法覆盖、图像传感器无法适应恶劣水质环境的问题，提出了基于水下激光雷达与ROV位姿传感器的液压飞头对接系统以及相应的多传感器信息融合算法和ROV定位导航控制方法，改善ROV操作水下多功能快速接头的精度，实现其快速准确对接，并通过实验验证，为ROV在深海环境作业节约宝贵时间。

液压飞头；水下激光雷达；ROV

液压飞头又称水下多功能液压快速接头（Multi Hydraulic Quick Connector），简称为 MQC，是用来在水下同时连接多个单路液压接头的装置，可以同时连接或断开多条液压管路，多用于海洋石油工程的水下油气生产系统中高压注醇、注化学药品、注水和注气，以及液压控制，是水下生产系统的核心装备之一。利用水下生产系统进行深水油气田的开发，可有效解决深水开发中的很多技术难点，如水深对平台和设备的影响较小、能适应不同型式的立管、成本相对干式采油树较低等。

由ROV完成其连接和断开的操作，在对接之前，ROV需要到达一个合适对接操作的位置，但由于传统的声学和摄像传感器定位精度受限，需要花费大量的时间进行多次尝试，因此， ROV到达最合适作业位置并用机械手锁紧把手固定其位置是最关键技术之一。尽管目前国内在基于ROV水声定位系统的多功能液压快速接头对接研究已取得一定的成果，但水声定位系统进行定位存在两个问题，一是声学传感器的测量精度较低；二是数据刷新频率受限于声波在水中的传播速度。所以本文对环境未知情况下ROV的自身定位技术进行了研究，提出了一种基于水下激光雷达传感原理的新型组合定位方法。

1 MQC的结构与工作原理

水下多路液压快速接头是用来接通多个水下管路的装置，可用以接通或断开多路液压管路。根据需要，上面一般可安装4～32个各种不同的水下接头，MQC需要对接头的正确连接提供轴向和旋转方向的导向，并提供一个足够大的锁紧力以抵抗在连接过程中由于管道中的液体压力产生的分离力，这就需要MQC具有一套可靠的锁紧机构，能够将两端的接头安装板可靠的锁紧在一起，从而确保接头可靠的密封和导通。一套完整的MQC装置由以下几个部分组成，如图1所示。

图1 MQC装置组成部分

MQC装置其对接过程可分为以下几步。第一步，取下移动端的防尘帽，防尘帽是用来在下水前保护移动端的，防止外界对移动端的污染和破坏，其结构较简单。第二步，取下固定端和暂置位保护帽，当没有移动端安装时，保护帽是用来保护长时间安装在海底的固定端和暂置位，以防止海底的沙泥对固定端和暂置位的污染，还可以阻止海里的碳酸钙在公接头上凝结。第三步，ROV通过机械手操作移动端插入到固定端口，使用扭矩工具完成对接，以实现管路的连通。移动端上安装有相应的多个母接头，轴向或圆周方向上的定位销或键，以及相应的锁紧机构；固定端固定安装在水下设备（如采油树）上，安装有多个公接头，轴向和圆周方向上的导向套或导向槽，以及相应的锁紧机构。第四步：完成连通需求后，移动端从固定端上拔出，在没有收回到海上时，需要将移动端暂时的放置在暂置位上，用来给移动端提供阴极保护，暂置位的结构和尺寸和固定端是一样的，唯一的区别是其上安装的不是真正的公接头，而是一种仿真的公接头，这种接头不起导通作用。

2 基于水下激光雷达与ROV位姿传感器对接系统

MQC对接系统由ROV本体、水下激光传感器、罗盘、IMU、摄像系统与声呐系统等组成，如图2所示。

图2 对接系统ROV构成

ROV远距离探测目标方位时，依然通过传统的声呐定位系统完成，当ROV机械臂通过扭矩工具使MQC对接的过程中，是依靠摄像系统生成的图像信息来操作完成，然而在中距离定位到MQC对接的中间距离（在2～4m）时，限于声学系统与图像系统在该区段的分辨精度低，而水下激光雷达可在该区段保持较高的定位精度，提出基于水下激光雷达的对接系统来提高该区段对接快速准确性，其工作性能的显著提高主要体现在机械手臂在对接之前抓取并锁紧固定把手位置的准确性上。传统的依靠声呐与摄像对接方式在抓紧并锁住ROV到合适的操作对接位置需要尝试平均4～6次，而基于水下激光雷达的对接方式大大缩短了机械手抓取次数（图3）。

图3 ROV机械臂抓住并锁紧固定端

水下激光传感器是基于飞时传感法 (Time of Flight)简称TOF。其工作原理是从激光头发出激光射线，等待接收从物体上反射的激光信号，利用发送和接收的激光飞行时间来计算测量距离，原理如图4所示。由于其独特的测量原理，激光传感器具有高速、精准等特点。与声纳相比，ROV配备水下激光传感不存在散射问题，激光受入射角的影响也非常小，在一般的物体表面上，即使入射角接近90°时激光仍能够按入射方向返回,因此可以得到十分精确的数据。而这正好满足了ROV对于环境感知传感器在实时性和准确性方面的要求。但是激光传感器的测量数据受到自身温度变化导致的漂移与激光雷达相近频率成分的光源干扰、混合像素干扰、放射性障碍物表面导致的测量误差、障碍物遮挡造成的扫描盲区等。

图4 飞时传感法的测量原理

为克服激光传感器在某些特定环境下所测数据存在的不足，将水下激光雷达与ROV位姿传感器组合使用，因此，ROV除配备有水下激光雷达外，还使用HMR3000型三轴磁罗盘，其由Honeywell公司生产，可测量ROV的艏向角、纵倾角和横倾角。数据更新频率为十几赫兹，测量精度为0．1度。由于磁罗盘容易受铁磁性物体和电机电磁场的干扰，因此将罗盘压力筒安装在的前上部，将外部干扰的影响降到最低。使用IMU5200捷联惯导系统，测量ROV的三轴姿态角(或角速率)以及加速度。该IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计检测ROV在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量ROV在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出其空间姿态。IMU安装在电子舱的压力筒内，使用RS232串口进行数据通讯，数据更新频率为100Hz。利用以上三种传感器性能的互补性，通过信息融合技术，可以很大程度改善ROV的定位精度。ROV在水下作业状况下，水下激光雷达传感器固定在ROV机械手臂前侧，PC控制器下发指令使水下激光雷达发射器不断发射水下激光雷达脉冲，激光脉冲由发射光学系统射出时，时钟计数器得到起始信号开始计数，激光射到被测目标上（如采油树）发生反射，然后由光学系统接收后对计数器发出终止信号，最终提取时钟计数器计数值，PC控制器提取相关数据信息，计算得出被测目标（如采油树）的方位距离，处理HMR3000型三轴磁罗盘与IMU5200捷联惯导系统不断上传ROV的位姿信息，实时判断MQC与对接目标的距离与方位。

3 ROV定位导航控制系统

本文研究的ROV定位导航控制系统分为外部传感器系统、上位机系统以及运动控制系统三部分，如图5所示。水下激光雷达传感器发射激光脉冲信号，经采油树反射后，接收光学系统接收水下激光雷达反射信号，并经过信号处理器滤波，把从光电转换器输出的微弱电信号放大成具有一定幅度、信噪比和脉冲宽度的电信号上传至ROV上位机。

上位机控制系统融合各传感器返回ROV的位姿信息，进行时间对准、空间对准、数据关联、特征级数据融合，认知环境，提取对接目标信息，基于子系统精确模型的最优路径控制，建立混合智能算法求解模型，最终实现具有一定鲁棒性以及对外部扰动有一定适应性的ROV动态路径规划控制方法。采用先导预测的控制策略，实现机器人系统的自适应地图误差修正和自学习功能，以及自主导控任务的全局优化, 并对未知动态环境具有较强的适应性。对此，ROV能够实现自主定位导航与路径规划，最终上位机控制系统将控制指令下发至运动控制系统，推进系统由4台45°矢量布局的加速导管型螺旋桨组成，方便动力定位定艏控制。ROV相对水平方向与垂直方向的偏移由被测目标的方位确定，ROV位姿的变化量由水平方向的4个推进器与垂直方向的一个推进器输出推力的大小控制，运动控制单元对推进器进行动力分配，实现ROV位姿的调整，同时运动控制单元将下发的推力指令反馈到ROV上位机里，上位机经过预知判断下步指令。当ROV与采油树相距合适距离时，ROV一只机械手锁住采油树固定设备处，使ROV整体小范围浮动在对接入口，另一只机械手将固定端的保护帽取下放置到暂置位上，然后抓住移动端的提升手柄将其平稳准确地插入固定端接口处。

在以上过程中，移动端与固定端的成功对接并不都是一次就能完成，执行机构的实时位姿状态与固定端的对接口相对位置信息通过反馈装置反馈给运动控制集成单元，与此同时，ROV本体以及抓取机械手需要根据控制单元的运动控制指令不断微调自己的位姿，而快速准确的运动指令必须依赖激光传感器对固定端的准确位置信息进行提取识别，最后由上位机进行信息融合处理。

4 实验验证分析

为了验证上面的基于水下激光雷达与ROV位姿传感器的液压飞头对接系统以及相应多传感器信息融合算法和ROV定位导航控制方法相比于传统液压飞头对接方法的优越性能，在深水池进行相关模拟对接实验，如图6所示。大量实验结果表明，当ROV只配备有声纳，HMR3000型三轴磁罗盘、IMU5200捷联惯导系统以及摄像系统时，ROV在液压飞头成功对接之前需要进行4至6次换位，所需时间平均在400s左右，在以上基础上，新增水下激光雷达设备后，ROV只需进行1至2次换位，对接时间缩短至220s左右，对接效率提高了45%，这对于水下作业的ROV不仅节约了宝贵的时间，还大大减少了人力物力资源的消耗。

图6 深水池对接试验

5 结语

为了实现水下机器人ROV自主导航能力，提高MQC对接速度和精度，与常规ROV单单基于声纳导航定位不同，水下激光雷达由于能量集中不存在散射的问题，而且具备光速远超声速且探传感离较远的诸多优点，所以结合水下激光雷达传感原理，提出了中距离基于水下激光雷达与ROV位姿传感器的液压飞头对接系统以及相应的多传感器信息融合算法和ROV定位导航控制方法，并作出较为详细的理论阐述。该控制系统的各个子控制系统之间形成有效的信息反馈网络，使得位置信息能够快速识别，准确提取以及运动指令信息的准确整合，这样为MQC的成功对接节约了宝贵时间。