富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器行走控制系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著陸地礦物資源越來越少，人們把目光投向了比陸地更廣闊的海洋。數(shù)百萬年來，海底洋流掃清了洋底的沉積物， 在 400 ～ 4 000 m 深的海底巖石上形成了富含各種戰(zhàn)略金屬、稀土元素和貴金屬的結(jié)殼礦，其中鈷結(jié)殼最為豐富。在某片海礦正式大量開采之前，需要通過取樣來探明其中的礦物開采價值。

而今，在取樣的前期階段，都是通過纜繩下放控制抓斗、鉆機等設(shè)備取樣，電視抓斗設(shè)備每次作業(yè)只能抓上一斗，取樣成功后，抓斗處于合攏狀態(tài)，再拉回甲板，花費了大量時間在下放和回收及尋找合適的礦物上，效率低下。鉆機之類的管狀取樣設(shè)備多是為更深的海底熱液硫化物而設(shè)計，追求深度，截面積很小。

本文介紹的規(guī)模取樣器在海床上邊行走邊通過銑挖頭銑碎表面的結(jié)殼，之后通過泵吸將碎塊吸到采礦車的物料箱中， 該富鈷結(jié)殼采礦車專為富鈷結(jié)殼這種表層礦物所設(shè)計，可以隨時控制方向采集表層礦物質(zhì)。而缺點就是相對于鉆機和電視抓斗多出的行走控制系統(tǒng)需求，這是以前深海取樣設(shè)備中所沒有的。雖然陸地控制機器行走似乎是成熟且較好實現(xiàn)的功能，但需要考慮的是陸地上人員可以坐在駕駛室內(nèi)用人眼清晰地感知路面環(huán)境，然后通過方向盤、油門、剎車控制車輛行走。但在幾千米下的深海無人環(huán)境，視野受阻（工作時的塵土等），此系統(tǒng)通過遠程控制、液壓驅(qū)動在較崎嶇和較傾斜的坡面上行走并保持自動抓地和調(diào)平自身姿態(tài)是巨大的挑戰(zhàn)，而這也是本文介紹的重點。

1 通信部分

系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

由于操作人員需在甲板上通過實時攝像視頻判斷環(huán)境和向下發(fā)送命令，因此在水下不僅有 7 架普清攝像機分布在車的周身，更有一架高清攝像機對著正前方，為操作人員帶來了極大方便。通常使用的傳輸纜分別為傳統(tǒng)的同軸電纜和目前使用更多的光電纜。前者使用經(jīng)驗豐富，不易損壞，接取方便，且可同時供電，但傳輸帶寬只有 2 ～20 Mbps，在深海工作中， 這種距離長度不堪使用，只在一些對帶寬要求不高的場合有一定的使用價值。本次的規(guī)模取樣器系統(tǒng)使用光纖傳輸，雖然脆弱，且需額外的光模塊、電光轉(zhuǎn)換電路等，但可以將其層層封裝在鎧裝光電復合纜中。小心使用，保護接頭并使其保持清潔，就可完全發(fā)揮出其超高帶寬的優(yōu)勢。同軸纜和光纖的實物分別如圖 2 和圖 3 所示。

其他電路部分會用到網(wǎng)絡(luò)和串口通信，在水上甲板機部分使用一塊交換機搭建局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的優(yōu)點是市面上比較常見、傳輸速度可滿足要求、具有通用接口、可匹配很多帶網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備。本系統(tǒng)使用的主機、高清及普清硬盤刻錄機、周立功單片機等均帶有網(wǎng)口設(shè)備，加入和去除這些自帶網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)備十分方便，無需系統(tǒng)做出較大改變，而且在調(diào)試時， 極易確定每一部分是否正常，也可以通過軟件檢查水下設(shè)備整體通信是否正常，同時局域網(wǎng)編寫軟件時無需做大變動。

串口同樣也是模塊常見的自帶接口，使用更簡便，代碼編寫方便，電路簡單。

2 檢測執(zhí)行部分

在水下設(shè)備中，板卡、電路等都被密封在合金倉內(nèi)，只留出水密接口和外部設(shè)備連接口，包括各路攝像機、傳感器、電磁閥等。而本系統(tǒng)的行走控制所依賴的壓力和位移傳感器都是一種將物理量轉(zhuǎn)化為 4 ～20 mA 模擬電信號的結(jié)構(gòu)，因此只需解讀說明書就可通過采集電流的大小得知壓力和位移量。水下結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

電子羅盤使用數(shù)字輸出型傾角傳感器，采用先進的硬鐵和軟鐵校準算法，使其在 65°傾角范圍內(nèi)提供高精度的航向信息。該羅盤不僅體積小，功耗低，還留有串口。

3D 電子羅盤實物如圖 5 所示，角度示意如圖 6 所示。在使用時將電子羅盤平放在倉內(nèi)，倉則平放在采礦車的中央位置附近，在甲板上將其橫滾角調(diào)至 0°后開始試驗。其中橫滾角（ROLL）代表車子左傾斜和右傾斜程度 ；俯仰角（PITCH）代表前傾斜和后傾斜程度 ；航向角（HEANDING）代表車子順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)角度。

系統(tǒng)通過板卡的繼電器控制倉外的電磁閥驅(qū)動液壓使支腿伸縮，使輪子轉(zhuǎn)向，并啟停螺旋槳。采礦車及其外部設(shè)備如圖 7 所示。

                                                                                                                       圖 7 采礦車及其外部設(shè)備圖

3 行走控制算法部分

采礦車工作時在保證不翻車的情況下應盡量保持平穩(wěn)， 由此解讀為如下兩點要求 ：

(1) 左右前后傾斜不超出一定范圍 ；

(2) 四個輪子都要著地。

第一點可以通過電子羅盤測出車輛的傾斜程度，然后調(diào)整支腿伸縮。

第二點可以通過驅(qū)動輪子時使用的壓力大小來判斷，若輪子在空轉(zhuǎn)，則說明驅(qū)動輪子受到的阻力很小 ；相反，當車子重心偏向某個輪子時，則說明驅(qū)動該輪子受到的阻力很大。這是直觀感受，但實際工作中不能時刻通過人工調(diào)整各個輪子的伸縮（保險起見，加裝有是否啟用自動抓地調(diào)平功能）。自動控制在計算機中必須要確定量化的標準，因此設(shè)置了三個缺省值供實際環(huán)境調(diào)試時輸入?yún)?shù)，分別為懸空壓力、角度參數(shù)、卡住壓力。除此之外，還有兩個無理限制參數(shù)，分別為支腿最大伸長量和支腿最短伸長量，即實際機械腿可調(diào)節(jié)范圍，這也是限制調(diào)節(jié)范圍的一個參數(shù)。

(1) 懸空壓力指當輪子壓力小于該設(shè)定值時認為它處于懸空狀態(tài)。

(2) 角度參數(shù)是指左右傾斜角度的絕對值大于該設(shè)定值時認為它處于不安全狀態(tài)，需要調(diào)整。

(3) 卡住壓力指當輪子壓力大于該設(shè)定值時認為它受到的壓力過大，無法移動。

如果角度和壓力都在正常范圍內(nèi)，則認為輪子處于正常運行狀態(tài)，無需調(diào)整。參數(shù)設(shè)置及啟用自動抓地調(diào)平圖如圖 8所示，實時角度顯示如圖 9 所示。

系統(tǒng)中的三個參數(shù)有優(yōu)先級之分。首先需考慮角度是否超出正常范圍，因為很多倉外設(shè)備在車身的鋼結(jié)構(gòu)上固定，但直接暴露在海水中，無特殊防護，一旦重達 4 噸的采礦車側(cè)翻， 甚至倒翻，不僅器件損壞可能性極大，甚至也可能因纜繩油管破裂引起電機或電路的全面損壞。其次考慮懸空壓力和卡住壓力。實際場景如圖 10所示。

情景大致分為三種，即平地、前后左右傾斜、土包或者土坑。根據(jù)算法角度可以抽象為兩類，即角度調(diào)節(jié)和抓地調(diào)節(jié)。

前兩種情景調(diào)整非常相似，可以統(tǒng)一為角度調(diào)節(jié)。以左傾斜（左低右高）為例，上位機打開后即可改變輸入懸空壓力、角度參數(shù)、卡住壓力參數(shù)及兩個默認的參數(shù)，啟動軟件，通信正常后會進行參數(shù)初始化，之后判斷目前的角度是否在安全范圍內(nèi)，如果超出范圍，則判斷在哪個方向傾斜。以左傾斜為例，則角度顯示一個負數(shù)，然后算法優(yōu)先縮短右邊支腿長度， 使整體車身重心降低，確保車輛行走更平穩(wěn)。但機械腿的伸長和縮短有限制，當右邊最長的支腿長度小于設(shè)置的最短伸長量，車身仍然左傾斜時，就伸長左邊支腿長度，在調(diào)整的同時系統(tǒng)不斷檢測角度是否回到安全范圍和左邊最短支腿伸長量是否達到最大伸長量，如果未達標則繼續(xù)伸長 ；如果達到最大伸長量之后還未調(diào)平（角度回到安全范圍），則證明受到物理機械的限制，超出了本系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍。角度調(diào)整流程如圖 11 所示。

抓地調(diào)節(jié)主要是在某一個輪子遇到高地和坑時，輪子受液壓驅(qū)動較僵硬，不比陸地上車軸有彈簧可物理自適應，因此此處需要軟件調(diào)控。以右前輪懸空為例，右前輪懸空存在以下兩種可能：

（1）前面兩個輪子伸長量相差不大時，突然左前輪爬上一個高地，右前輪保持之前的伸長量導致無法著地，驅(qū)動壓力驟然減小，轉(zhuǎn)速增大。

（2）右前輪走入坑中。

這兩種情況下系統(tǒng)讀取的狀態(tài)為右前輪懸空，于是伸長右前輪，判斷右前支腿位移是否達到最大位移長度，如果是，則將左前部分下降，若左前支腿縮到了最小位移后右前輪仍懸空，此時可通過電子羅盤判斷是前傾或后傾。如果前傾則說明右前輪掉入坑中，需要將后面兩個輪子降下來，使重心后移，減小前輪壓力，方便車輛爬出坑 ；若后傾，則可能是左前輪爬上了高坡，將后面兩個輪子伸長就可將重心前移，減小后輪壓力，平穩(wěn)爬過高坡。同一個輪子不可能同時處于懸空和卡住兩個狀態(tài)。抓地調(diào)整流程如圖 12 所示。

此外，當車子在下放過程中或在行走過程中俯視角度順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)了一定度數(shù)甚至一定圈數(shù)時，可以通過車上的兩個螺旋槳調(diào)整。車上的螺旋槳安裝在車兩側(cè)，當右側(cè)向前吹風產(chǎn)生向后推力時，左側(cè)螺旋槳逆時針轉(zhuǎn)向后吹風產(chǎn)生左側(cè)向前推力，此時車子懸在海水中順時針轉(zhuǎn)動調(diào)整。螺旋槳調(diào)整示意圖如圖 13 所示。

4 結(jié) 語

由于本系統(tǒng)應用于海底的遠程駕駛，又是機械液壓控制支腿伸縮，因此沒有現(xiàn)成的樣例供參考，需要設(shè)想架構(gòu)，在車間人為設(shè)計復雜的地面環(huán)境，然后調(diào)試，最后灌水進行試驗。經(jīng)試驗驗證，本系統(tǒng)運行可靠，滿足了富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器的任務(wù)要求。