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

引 言

隨著陸地礦物資源越來(lái)越少，人們把目光投向了比陸地更廣闊的海洋。數(shù)百萬(wàn)年來(lái)，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(kāi)采之前，需要通過(guò)取樣來(lái)探明其中的礦物開(kāi)采價(jià)值。

而今，在取樣的前期階段，都是通過(guò)纜繩下放控制抓斗、鉆機(jī)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(fèi)了大量時(shí)間在下放和回收及尋找合適的礦物上，效率低下。鉆機(jī)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(jì)，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(guò)銑挖頭銑碎表面的結(jié)殼，之后通過(guò)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(jì)，可以隨時(shí)控制方向采集表層礦物質(zhì)。而缺點(diǎn)就是相對(duì)于鉆機(jī)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(méi)有的。雖然陸地控制機(jī)器行走似乎是成熟且較好實(shí)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(guò)方向盤、油門、剎車控制車輛行走。但在幾千米下的深海無(wú)人環(huán)境，視野受阻（工作時(shí)的塵土等），此系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程控制、液壓驅(qū)動(dòng)在較崎嶇和較傾斜的坡面上行走并保持自動(dòng)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(diǎn)。

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(guò)實(shí)時(shí)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(jī)分布在車的周身，更有一架高清攝像機(jī)對(duì)著正前方，為操作人員帶來(lái)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(yàn)豐富，不易損壞，接取方便，且可同時(shí)供電，但傳輸帶寬只有 2 ～20 Mbps，在深海工作中， 這種距離長(zhǎng)度不堪使用，只在一些對(duì)帶寬要求不高的場(chǎng)合有一定的使用價(jià)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(fù)合纜中。小心使用，保護(hù)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(shì)。同軸纜和光纖的實(shí)物分別如圖 2 和圖 3 所示。

其他電路部分會(huì)用到網(wǎng)絡(luò)和串口通信，在水上甲板機(jī)部分使用一塊交換機(jī)搭建局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是市面上比較常見(jiàn)、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(jī)、高清及普清硬盤刻錄機(jī)、周立功單片機(jī)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(wú)需系統(tǒng)做出較大改變，而且在調(diào)試時(shí)， 極易確定每一部分是否正常，也可以通過(guò)軟件檢查水下設(shè)備整體通信是否正常，同時(shí)局域網(wǎng)編寫軟件時(shí)無(wú)需做大變動(dòng)。

串口同樣也是模塊常見(jiàn)的自帶接口，使用更簡(jiǎn)便，代碼編寫方便，電路簡(jiǎn)單。

2 檢測(cè)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(cāng)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(jī)、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(hào)的結(jié)構(gòu)，因此只需解讀說(shuō)明書就可通過(guò)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(jìn)的硬鐵和軟鐵校準(zhǔn)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(shí)物如圖 5 所示，角度示意如圖 6 所示。在使用時(shí)將電子羅盤平放在倉(cāng)內(nèi)，倉(cāng)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(kāi)始試驗(yàn)。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(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。

系統(tǒng)通過(guò)板卡的繼電器控制倉(cāng)外的電磁閥驅(qū)動(dòng)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(shí)在保證不翻車的情況下應(yīng)盡量保持平穩(wěn)， 由此解讀為如下兩點(diǎn)要求 ：

(1) 左右前后傾斜不超出一定范圍 ；

(2) 四個(gè)輪子都要著地。

第一點(diǎn)可以通過(guò)電子羅盤測(cè)出車輛的傾斜程度，然后調(diào)整支腿伸縮。

第二點(diǎn)可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪子時(shí)使用的壓力大小來(lái)判斷，若輪子在空轉(zhuǎn)，則說(shuō)明驅(qū)動(dòng)輪子受到的阻力很小 ；相反，當(dāng)車子重心偏向某個(gè)輪子時(shí)，則說(shuō)明驅(qū)動(dòng)該輪子受到的阻力很大。這是直觀感受，但實(shí)際工作中不能時(shí)刻通過(guò)人工調(diào)整各個(gè)輪子的伸縮（保險(xiǎn)起見(jiàn)，加裝有是否啟用自動(dòng)抓地調(diào)平功能）。自動(dòng)控制在計(jì)算機(jī)中必須要確定量化的標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)置了三個(gè)缺省值供實(shí)際環(huán)境調(diào)試時(shí)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(gè)無(wú)理限制參數(shù)，分別為支腿最大伸長(zhǎng)量和支腿最短伸長(zhǎng)量，即實(shí)際機(jī)械腿可調(diào)節(jié)范圍，這也是限制調(diào)節(jié)范圍的一個(gè)參數(shù)。

(1) 懸空壓力指當(dāng)輪子壓力小于該設(shè)定值時(shí)認(rèn)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(duì)值大于該設(shè)定值時(shí)認(rèn)為它處于不安全狀態(tài)，需要調(diào)整。

(3) 卡住壓力指當(dāng)輪子壓力大于該設(shè)定值時(shí)認(rèn)為它受到的壓力過(guò)大，無(wú)法移動(dòng)。

如果角度和壓力都在正常范圍內(nèi)，則認(rèn)為輪子處于正常運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)需調(diào)整。參數(shù)設(shè)置及啟用自動(dòng)抓地調(diào)平圖如圖 8所示，實(shí)時(shí)角度顯示如圖 9 所示。

系統(tǒng)中的三個(gè)參數(shù)有優(yōu)先級(jí)之分。首先需考慮角度是否超出正常范圍，因?yàn)楹芏鄠}(cāng)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(wú)特殊防護(hù)，一旦重達(dá) 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(jī)或電路的全面損壞。其次考慮懸空壓力和卡住壓力。實(shí)際場(chǎng)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(jī)打開(kāi)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(gè)默認(rèn)的參數(shù)，啟動(dòng)軟件，通信正常后會(huì)進(jìn)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(gè)方向傾斜。以左傾斜為例，則角度顯示一個(gè)負(fù)數(shù)，然后算法優(yōu)先縮短右邊支腿長(zhǎng)度， 使整體車身重心降低，確保車輛行走更平穩(wěn)。但機(jī)械腿的伸長(zhǎng)和縮短有限制，當(dāng)右邊最長(zhǎng)的支腿長(zhǎng)度小于設(shè)置的最短伸長(zhǎng)量，車身仍然左傾斜時(shí)，就伸長(zhǎng)左邊支腿長(zhǎng)度，在調(diào)整的同時(shí)系統(tǒng)不斷檢測(cè)角度是否回到安全范圍和左邊最短支腿伸長(zhǎng)量是否達(dá)到最大伸長(zhǎng)量，如果未達(dá)標(biāo)則繼續(xù)伸長(zhǎng) ；如果達(dá)到最大伸長(zhǎng)量之后還未調(diào)平（角度回到安全范圍），則證明受到物理機(jī)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(gè)輪子遇到高地和坑時(shí)，輪子受液壓驅(qū)動(dòng)較僵硬，不比陸地上車軸有彈簧可物理自適應(yīng)，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(gè)輪子伸長(zhǎng)量相差不大時(shí)，突然左前輪爬上一個(gè)高地，右前輪保持之前的伸長(zhǎng)量導(dǎo)致無(wú)法著地，驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)右前輪，判斷右前支腿位移是否達(dá)到最大位移長(zhǎng)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(shí)可通過(guò)電子羅盤判斷是前傾或后傾。如果前傾則說(shuō)明右前輪掉入坑中，需要將后面兩個(gè)輪子降下來(lái)，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(gè)輪子伸長(zhǎng)就可將重心前移，減小后輪壓力，平穩(wěn)爬過(guò)高坡。同一個(gè)輪子不可能同時(shí)處于懸空和卡住兩個(gè)狀態(tài)。抓地調(diào)整流程如圖 12 所示。

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

4 結(jié) 語(yǔ)

由于本系統(tǒng)應(yīng)用于海底的遠(yuǎn)程駕駛，又是機(jī)械液壓控制支腿伸縮，因此沒(méi)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(jì)復(fù)雜的地面環(huán)境，然后調(diào)試，最后灌水進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)運(yùn)行可靠，滿足了富鈷結(jié)殼規(guī)模取樣器的任務(wù)要求。