富钴结壳规模取样器行走控制系统设计

引 言

随着陆地矿物资源越来越少，人们把目光投向了比陆地更广阔的海洋。数百万年来，海底洋流扫清了洋底的沉积物， 在 400 ～ 4 000 m 深的海底岩石上形成了富含各种战略金属、稀土元素和贵金属的结壳矿，其中钴结壳最为丰富。在某片海矿正式大量开采之前，需要通过取样来探明其中的矿物开采价值。

而今，在取样的前期阶段，都是通过缆绳下放控制抓斗、钻机等设备取样，电视抓斗设备每次作业只能抓上一斗，取样成功后，抓斗处于合拢状态，再拉回甲板，花费了大量时间在下放和回收及寻找合适的矿物上，效率低下。钻机之类的管状取样设备多是为更深的海底热液硫化物而设计，追求深度，截面积很小。

本文介绍的规模取样器在海床上边行走边通过铣挖头铣碎表面的结壳，之后通过泵吸将碎块吸到采矿车的物料箱中， 该富钴结壳采矿车专为富钴结壳这种表层矿物所设计，可以随时控制方向采集表层矿物质。而缺点就是相对于钻机和电视抓斗多出的行走控制系统需求，这是以前深海取样设备中所没有的。虽然陆地控制机器行走似乎是成熟且较好实现的功能，但需要考虑的是陆地上人员可以坐在驾驶室内用人眼清晰地感知路面环境，然后通过方向盘、油门、刹车控制车辆行走。但在几千米下的深海无人环境，视野受阻（工作时的尘土等），此系统通过远程控制、液压驱动在较崎岖和较倾斜的坡面上行走并保持自动抓地和调平自身姿态是巨大的挑战，而这也是本文介绍的重点。

1 通信部分

系统的通信结构如图 1 所示。

由于操作人员需在甲板上通过实时摄像视频判断环境和向下发送命令，因此在水下不仅有 7 架普清摄像机分布在车的周身，更有一架高清摄像机对着正前方，为操作人员带来了极大方便。通常使用的传输缆分别为传统的同轴电缆和目前使用更多的光电缆。前者使用经验丰富，不易损坏，接取方便，且可同时供电，但传输带宽只有 2 ～20 Mbps，在深海工作中， 这种距离长度不堪使用，只在一些对带宽要求不高的场合有一定的使用价值。本次的规模取样器系统使用光纤传输，虽然脆弱，且需额外的光模块、电光转换电路等，但可以将其层层封装在铠装光电复合缆中。小心使用，保护接头并使其保持清洁，就可完全发挥出其超高带宽的优势。同轴缆和光纤的实物分别如图 2 和图 3 所示。

其他电路部分会用到网络和串口通信，在水上甲板机部分使用一块交换机搭建局域网。网络设备的优点是市面上比较常见、传输速度可满足要求、具有通用接口、可匹配很多带网络接口的设备。本系统使用的主机、高清及普清硬盘刻录机、周立功单片机等均带有网口设备，加入和去除这些自带网络接口的设备十分方便，无需系统做出较大改变，而且在调试时， 极易确定每一部分是否正常，也可以通过软件检查水下设备整体通信是否正常，同时局域网编写软件时无需做大变动。

串口同样也是模块常见的自带接口，使用更简便，代码编写方便，电路简单。

2 检测执行部分

在水下设备中，板卡、电路等都被密封在合金仓内，只留出水密接口和外部设备连接口，包括各路摄像机、传感器、电磁阀等。而本系统的行走控制所依赖的压力和位移传感器都是一种将物理量转化为 4 ～20 mA 模拟电信号的结构，因此只需解读说明书就可通过采集电流的大小得知压力和位移量。水下结构如图 4 所示。

电子罗盘使用数字输出型倾角传感器，采用先进的硬铁和软铁校准算法，使其在 65°倾角范围内提供高精度的航向信息。该罗盘不仅体积小，功耗低，还留有串口。

3D 电子罗盘实物如图 5 所示，角度示意如图 6 所示。在使用时将电子罗盘平放在仓内，仓则平放在采矿车的中央位置附近，在甲板上将其横滚角调至 0°后开始试验。其中横滚角（ROLL）代表车子左倾斜和右倾斜程度 ；俯仰角（PITCH）代表前倾斜和后倾斜程度 ；航向角（HEANDING）代表车子顺时针和逆时针旋转角度。

系统通过板卡的继电器控制仓外的电磁阀驱动液压使支腿伸缩，使轮子转向，并启停螺旋桨。采矿车及其外部设备如图 7 所示。

                                                                                                                       图 7 采矿车及其外部设备图

3 行走控制算法部分

采矿车工作时在保证不翻车的情况下应尽量保持平稳， 由此解读为如下两点要求 ：

(1) 左右前后倾斜不超出一定范围 ；

(2) 四个轮子都要着地。

第一点可以通过电子罗盘测出车辆的倾斜程度，然后调整支腿伸缩。

第二点可以通过驱动轮子时使用的压力大小来判断，若轮子在空转，则说明驱动轮子受到的阻力很小 ；相反，当车子重心偏向某个轮子时，则说明驱动该轮子受到的阻力很大。这是直观感受，但实际工作中不能时刻通过人工调整各个轮子的伸缩（保险起见，加装有是否启用自动抓地调平功能）。自动控制在计算机中必须要确定量化的标准，因此设置了三个缺省值供实际环境调试时输入参数，分别为悬空压力、角度参数、卡住压力。除此之外，还有两个无理限制参数，分别为支腿最大伸长量和支腿最短伸长量，即实际机械腿可调节范围，这也是限制调节范围的一个参数。

(1) 悬空压力指当轮子压力小于该设定值时认为它处于悬空状态。

(2) 角度参数是指左右倾斜角度的绝对值大于该设定值时认为它处于不安全状态，需要调整。

(3) 卡住压力指当轮子压力大于该设定值时认为它受到的压力过大，无法移动。

如果角度和压力都在正常范围内，则认为轮子处于正常运行状态，无需调整。参数设置及启用自动抓地调平图如图 8所示，实时角度显示如图 9 所示。

系统中的三个参数有优先级之分。首先需考虑角度是否超出正常范围，因为很多仓外设备在车身的钢结构上固定，但直接暴露在海水中，无特殊防护，一旦重达 4 吨的采矿车侧翻， 甚至倒翻，不仅器件损坏可能性极大，甚至也可能因缆绳油管破裂引起电机或电路的全面损坏。其次考虑悬空压力和卡住压力。实际场景如图 10所示。

情景大致分为三种，即平地、前后左右倾斜、土包或者土坑。根据算法角度可以抽象为两类，即角度调节和抓地调节。

前两种情景调整非常相似，可以统一为角度调节。以左倾斜（左低右高）为例，上位机打开后即可改变输入悬空压力、角度参数、卡住压力参数及两个默认的参数，启动软件，通信正常后会进行参数初始化，之后判断目前的角度是否在安全范围内，如果超出范围，则判断在哪个方向倾斜。以左倾斜为例，则角度显示一个负数，然后算法优先缩短右边支腿长度， 使整体车身重心降低，确保车辆行走更平稳。但机械腿的伸长和缩短有限制，当右边最长的支腿长度小于设置的最短伸长量，车身仍然左倾斜时，就伸长左边支腿长度，在调整的同时系统不断检测角度是否回到安全范围和左边最短支腿伸长量是否达到最大伸长量，如果未达标则继续伸长 ；如果达到最大伸长量之后还未调平（角度回到安全范围），则证明受到物理机械的限制，超出了本系统的调节范围。角度调整流程如图 11 所示。

抓地调节主要是在某一个轮子遇到高地和坑时，轮子受液压驱动较僵硬，不比陆地上车轴有弹簧可物理自适应，因此此处需要软件调控。以右前轮悬空为例，右前轮悬空存在以下两种可能：

（1）前面两个轮子伸长量相差不大时，突然左前轮爬上一个高地，右前轮保持之前的伸长量导致无法着地，驱动压力骤然减小，转速增大。

（2）右前轮走入坑中。

这两种情况下系统读取的状态为右前轮悬空，于是伸长右前轮，判断右前支腿位移是否达到最大位移长度，如果是，则将左前部分下降，若左前支腿缩到了最小位移后右前轮仍悬空，此时可通过电子罗盘判断是前倾或后倾。如果前倾则说明右前轮掉入坑中，需要将后面两个轮子降下来，使重心后移，减小前轮压力，方便车辆爬出坑 ；若后倾，则可能是左前轮爬上了高坡，将后面两个轮子伸长就可将重心前移，减小后轮压力，平稳爬过高坡。同一个轮子不可能同时处于悬空和卡住两个状态。抓地调整流程如图 12 所示。

此外，当车子在下放过程中或在行走过程中俯视角度顺时针或逆时针旋转了一定度数甚至一定圈数时，可以通过车上的两个螺旋桨调整。车上的螺旋桨安装在车两侧，当右侧向前吹风产生向后推力时，左侧螺旋桨逆时针转向后吹风产生左侧向前推力，此时车子悬在海水中顺时针转动调整。螺旋桨调整示意图如图 13 所示。

4 结 语

由于本系统应用于海底的远程驾驶，又是机械液压控制支腿伸缩，因此没有现成的样例供参考，需要设想架构，在车间人为设计复杂的地面环境，然后调试，最后灌水进行试验。经试验验证，本系统运行可靠，满足了富钴结壳规模取样器的任务要求。