National Sun Yat-sen University Institutional Repository:Item 987654321/38876

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

子計畫五：抗流型水下遙控載具主控電腦及系統控制(2/3)

計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC94-2611-E-110-004- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學機械與機電工程學系(所) 計畫主持人： 程啟正 共同主持人： 王兆璋 計畫參與人員： 劉宇凱、柯卓融 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 95 年 5 月 29 日

摘要 本研究計畫乃為三年期「抗流形水下遙控載具(ROV)關鍵性技術開發暨系統整合」 整合型計畫中六個子計畫之一，負責水下遙控載具主控電腦系統之開發與自動控制功能 之建立。計畫宗旨在針對本國特殊的海洋環境，結合成功大學與中山大學之力，自行研 發抗海流多功能水下遙控載具的多項關鍵技術，進一步提高無人遙控載具在強海流與高 濁度環境下作業的性能與可操作性。除可厚植我國自行研究開發水下遙控載具之關鍵性 技術，並進而提升我國水下技術之水準。 水下遙控載具的動態行為面臨著非線性、不確定與時變參數、以及未知外來干擾的 多重影響下，其控制方法對強韌性的要求也隨之嚴苛。本研究計畫將針對自行設計開發 之抗流形水下遙控載具，開發有效的控制架構與策略。第一年期計畫重點在於建構電腦 控制系統硬體架構，以及基本控制用途之訊號擷取與傳送。第二年期則在發展有效且適 用於水下高度非線性的環境的控制策略，並應用於方位與深度的基本控制上。第三年期 則期望進一步賦予自動調節功能，展現出抗洋流的特出之處。 Abstract

This research project is one of the six subprojects of an integrated research proposal entitled “DevelopmentofKey Technology and System Integration forAnti-currentROV” with three-year span. The focuses of this subproject include development of the main computer control system and establishment of automatic control capabilities. The objective of the integrated research project is to develop the related key technology for an anti-current underwater remote-controlled vehicle for the special ocean environment around Taiwan by combining the research faculties in NCKU and NSYSU. This anti-current ROV will be designed to be operated in strong current and unclear ocean environment. This research achievement not only can lay the foundation of key technology for the underwater remotely operated vehicle, but also can promote our underwater technology into a higher level.

Since the underwater remotely operated vehicle experiences combination effects of nonlinearities, uncertain and time-varying parameters, and unknown disturbances, demand of robustness for the controller needs to be extremely strict. The subproject tends to develop effective control framework and strategies for the proposed anti-current ROV. The focus of the first year project is on the hardware establishment of the computer controlled system and signal acquisition and transmission for basic control purposes. The second year is on developing effective control strategies for the ROV maneuvering in the highly nonlinear underwater environment. Two target missions are heading control and height control. In order to fit into in the special ocean condition around Taiwan, the anti-current capability will be specially designed in the third year.

一、前言 我們居住的地球是一個充滿著水的星球，其中海洋便佔了地表面積的四分之三，蘊 藏豐富的資源。海洋中生存的動、植物，以及海床底下的石油與天然氣等礦產，對人類 而言，海洋似乎是一個巨大的藏寶庫。所以值得陸上的人們去探索以及瞭解。早期海下 探勘是由潛水人員執行，但是因為水下作業的範圍有限，危險性高，支援設備龐大而且 昂貴，潛航器（Underwater vehicle）便因應而生了。 潛航器大分為有人或無人航器，有人潛航器雖然在操作的靈活性或者資料的收集都 有較佳的成果，但在危險性較高的環境裡，有人潛航器使用上就有諸多的限制，因此無 人潛航器成為另一種研究及發展的方向。

無人潛航器又可以分成兩類：自主式水下載具（Autonomous Underwater Vehicle, AUV），以及水下遙控載具（Underwater Remotely Operated Vehicle，ROV）。前者雖 然機動性強，但通常必須事先以程式設定行進軌跡，在未知、不確定、與多變的水下環 境中執行任務時較具危險性，因此目前只受限於某些特定的實際應用上。而水下遙控載 具由於可以人為操控，又具有良好之長期作業性、安全性及多樣性的水下作業性能，自 80 年代起，即被用於外海油田之檢查維修工作上，近幾年也被廣泛運用於海洋研究， 工程建設以及軍事支援方面等。 有鑑於此，集合成功大學與中山大學多位各項專長教授之力，擬經由整合型計畫「抗 流型水下遙控載具(ROV)關鍵性技術開發暨系統整合」之推動，厚植我國自行研究開發 水下遙控載具之關鍵性技術，並進而提升我國水下技術之水準。 二、主控電腦系統架構 此子計畫的第一年期中，是以主控電腦的硬體架構及控制系統基本運作為主，以「功 能齊全、體積精巧」為選擇主控電腦之標的，仔細考量下採用 PC104 規範的電腦模組 EmETX-t603[1]。而攝影機的姿態以及照明燈束的介面，是以光耦合器為主的自製電路 模版，主控電腦以 Digital input/output PCM-3718H 方式給予動作命令。 主控電腦週邊有許多的儀器裝置，將其電源接頭統一化，增加使用便利性以及避免人為 疏失選擇錯誤的工作電壓，導致儀器裝置的毀損。與其他個子計畫的協調如下： 計畫一：提供整組主控電腦所佔的體積以利於設計水密艙形狀及尺寸，長寬高各為 130mm x 105mm x 116mm 計畫二：此類型的電腦模組為 +5V 及 +12V 兩種電源，訊號傳輸以 current loop 為主

計畫三：主電腦以 Digital to analog card PCM-6308V[2]，與其連結推進器控 制訊號為+5V ~ -5V 計畫四：計畫中的儀器如：深度計、磁羅經等皆是 RS232 介面，可直接與主電腦連 結。 子計畫的第二年期中，將以確保小艇能夠穩定運作及其控制系統不受雜訊干擾為 主，結合其他子計畫的研究成果，配合深度計及壓力計，利用線性或者如模糊控制、滑 度動模式控制等非線性的控制策略，提供基本的方位與深度之自動控制功能。而第三年

期中，則以加強控制為目的，確保控制器的性能，以得到良好的控制效果。

在第一年期中，主電腦透過兩個感測器得到小艇所在位置及深度：深度計及磁羅 經；在第二年期中，感測器加入了小部份的更改，將磁羅經的規格改為”HMR3000”， 但仍使用 RS232 界面與主電腦通訊，其傳送資料格式為：

”$PTNTHPR,130.6,N,-0.2,N,-0.3,N*31”

由左邊第二項到右邊開始分別代表”heading, magnetic field status, pitch, pitch status, roll, 及 roll status”七個資訊。藉由以上七個資訊，能夠讓主電腦 獲得小艇的所在位置；而另一個感測器深度計的規格並未改變，其傳送資料格式如 下：”+078.50,+123.24”，其中”+078.50”為壓力，單位為 psi，而”+123.24”為 溫度，單位為華氏。

圖一 主控電腦系統實體圖

三、主控電腦軟體介紹

因應計畫的整體進度以及硬體週邊的整合度，先是採用 Microsoft Visual Basic 作為整體主控系統的軟體平台，來聯繫水面上的人機介面以及水下 ROV 的動態資訊和感 測儀器資料，在軟體架構中主要分為兩部分，一為命令列，另一則為資料列。 命令列： 包含：起始符號、推進器的轉速、攝影機動作、照明燈、關機指令及結束符號 例如： $255,255,255,255,255,0,0,0,0,0,0,0,0$ 前五組參數各代表五組推進器當時的轉速狀態，以 127 為推進器葉片停止，當數值低於 127 時，推進器狀態為反轉越，接近 0 轉速越高，反之大於 127 狀態為正轉，越接近 255 轉速越高。

圖二 主控電腦系統架構圖

第六、七、八、九組參數，為攝影機動作參數，分別為 TILT 、PAN 、ZOOM、FOCUS。 參數與動作關係如下：

TILT: 「1」 UP 「2」 DOWN 「0」 TILT STOP PAN: 「1」 RIGHT 「2」 LEFT 「0」 PAN STOP ZOOM: 「1」 TELE 「2」 WIDE 「0」 ZOOM STOP FOCUS: 「1」 NEAR 「2」 FAR 「0」 FOCUS STOP

第十、十一、十二組參數，為照明燈狀態 「1」為燈組通電 「0」為燈組斷電 最後一個參數為關機指令，「1」關機 。 資料列： 量測儀器的訊號作彙整，包含磁羅經及深度計 例如： $PTNTHPR,130.6,N,-0.2,N,-0.3,N*31,+078.50,+123.24 $PTNTHPR,130.6,N,-0.2,N,-0.3,N*31 為磁羅經訊號 +078.50,+123.24 為深度計訊號 經由幾次實驗測試，小艇初步架構算是完成，各項儀器設備之間的通訊能如期運 作，但仍然存在部分問題，如主控電腦相容性、雜訊干擾等問題。 主控電腦為了達到「功能齊全、體積精巧」的目的，採用 PC104 規範的電腦模組 EmETX-t603[1]，並選用 2.5 吋的小硬碟作為儲存裝置，但因為 PC104 並不支援 UDMA （Ultra Direct Memory Access），因此於作業系統安裝過程中必須將 UDMA 關閉（BIOs

中的選項），否則會出現問題。 此外於通訊上我們採用纜繩作為小艇與水上電腦的通訊橋樑，但卻因為小艇的電源 亦是經由纜繩傳輸，因而產生干擾現象，因此我們目前仍針對纜繩作進一步改良。 四、系統模擬 目前我們參考中山大學海下技術研究所擁有之海下遙控載具，根據牛頓運動定律：



Moment



dt d F



Angular Moment



dt d M 及小艇的速度：

k

j

i

v

w

u

U







小艇的角速度：

k

j

i

q

r

p









重心與液力中心的位移：

k

z

j

y

i

x

R





_g







_g







_g





可推得基本小艇之運動方程式如下： k j i _{y z} x ext F F +F F  













 







F_x m u vr wq X_G q2 r2 Y_G pq r Z_G prq





















F_y m v ur wp X_G pq r Y_G p2 r2 Z_G qrp







 











F_z m w uq  vp X_G pr q Y qr_G  p Z_G p2 q2 M_p M_x M_y M_z



i j k

















M_x I p_x I_z I_y qr m Z_G v ur wp X Z_{G G} pqr









 





2 2





r p Z X qu pv w X rv qw u Z m rp I I q I M_y _y _x_z  _G    _G    _{G G} 











X v ur wp X Z rq p



m pq I I r I M_z  _z( _y _z)  _G    _{G G}  其小艇的質量與相對液力中心的慣性矩分別為：m、Ix、Iy、Iz。 分析小艇於作業時，其受力大致上可分為五種： 1.重力與浮力 2.纜繩作用力 3.流體給予小艇的阻力 4.推進器的推進力 5.流體之慣性力 假設液力中心與小艇重心重合，即

0















x

i

y

j

z

k

R



_g



_g



_g



所以

0







_{g g} g

y

z

x

並忽略纜繩對小艇的作用力，可推導動態方程式如下： ] ) 3 ( ) ( ) ( ) ( )

[(m Xdu u m Ydv v r m Zdw w q Xuu u u W B ex X

F_x                 ] ) 3 ( ) ( ) ( ) ( )

[(m Ydv v m Xdu u r m Zdw w p Yvv v v W B ey Y

] ) 3 ( ) ( ) ( ) ( ) [(m Zdw w m Xdu u q m Zdw v p Zww w w W B ez Z F_z                ) 3 ( ) ( ) ( ) [(I Xdu p Ydv Zdw w v I I Ndr Mdq r q kpp p p zB B ey K M_x  _x      _z _y          ) 3 ( ) ( ) ( ) [(I Mdq q Zdw Xdu w u I I Ndr Kdp r p Mqq q q zB B ex M My  y       x z            ] ) ( ) ( ) [(I Ndr r Xdu Ydv u v I I Kdp Mdq p q Nrr r r N M_Z  _z       _y  _x         其中：            0 0 1 ex ，            0 1 0 ey ，            1 0 0 ez W：重力 m：重量 B：浮力 zB：浮心 Xuu、Yvv、Zww、Kpp、Mqq、Nrr：阻尼係數 Ix、Iy、Iz：轉動慣量 Xdu、Ydv、Zdq：小艇在水中運動產生的假想質量 Kdp、Mdq、Ndr：小艇在水中運動產生的假想慣量 為了簡化對液力矩的計算，假設液力中心Ｐ點與小艇附體座標中心相同，且與重心相 同。此模式共有四個推進器:P1 與 P2 分別為左右兩邊垂直方向往上的推進器，P3 與 P4 則為左右兩邊水平方向往前的推進器。其位置如下圖所示: 圖四 推進器位置示意圖 將以上動態模式利用 MATLAB 程式模擬，可初步掌握小艇基本的動態行為。圖五與六為 P1 給定五個單位作用力下之小艇動態響應，小艇同時產生了側向與深度方面的移動， 且在橫搖角(roll)方向產生了擺動的現象。如在 P3 給定五個單位作用力時，如圖七與 八所示，小艇除了在縱向與側向均產生移動外，由於對質心的淨力矩影響，更提供了一 個在偏航角(yaw)方向的角速度。圖九與圖十則分別顯示 P1 與 P2 以及 P3 與 P4 同時啟 動下小艇之空間軌跡。由於對稱之關係，使得小艇產生了單純的深度與縱向之運動。如

啟動所有的推進器，小艇則同時會往縱向與深度方向產生運動，如圖十一與十二所示。

圖五 P1 推進器給定 5 個單位作用力下小艇的軌跡

圖七 P3 推進器給定 5 個單位作用力下小艇的軌跡

圖九 P1 和 P2 推進器各給定 5 個單位作用力下小艇的軌跡

圖十一 四個推進器各給予５個單位作用力下，小艇的軌跡 圖十二 四個推進器各給予５個單位作用力下，小艇的速度及角速度 然而以上之電腦模擬均假設在無洋流之理想狀況之下。本子計畫乃在針對抗洋流 水下遙控載具發展自動控制功能，因此特別考量在變化洋流的影響下，探討基本比例型 控制架構所產生的控制成效。假設海流平均流速為 2 m/s，且外加 0.1 m/s 的亂數變動 量。圖十三與十四以及圖十五與十六分別顯示在選擇不同增益值的狀況下，四個推進器

全開所造成的小艇動態行為。可以很明顯看出變化洋流導致了嚴重的震盪現象，尤其在 高增益時，非線性動態行為更被激發出來，造成了控制上的困擾。 圖十三 具海流干擾模式且控制器增益Ｋ=2，四個推進器各給予５個單位作用力下，小 艇之軌跡 圖十四 具海流干擾模式且控制器增益Ｋ=2，四個推進器各給予５個單位作用力下，小 艇的速度及角速度

圖十五 具海流干擾模式且控制器增益Ｋ=30，四個推進器各給予５個單位作用力下，小 艇之軌跡

圖十六 具海流干擾模式且控制器增益Ｋ=30，四個推進器各給予５個單位作用力下，小 艇的速度及角速度

由圖十三至圖十六可得知，加入增益雖可達成基本的控制任務，但海流干擾則會嚴 重影響小艇的軌跡，增加控制的難度。但此動態模式為參考本校海下技術研究所擁有之 水下遙控載具所得到，與現行設計之載具有相當之差異。因此模式參數尚需與子計畫一 密切配合，以建構較正確之小艇動態模式，而作為控制器設計之有效依據。 五、計畫成果自評與未來規畫 第一年期依既定時程完成了所規劃之研究工作，確認主控電腦系統之架構並測試與 週邊儀器、推進器功能無誤後，即已向整體目標邁出了最重要的第一步。第二年期中則 朝向確保小艇能夠穩定運作及控制系統不受雜訊干擾為目標邁進，並結合其他子計畫的 研究成果；如計畫一的環境及干擾動態模式等，期望推得攸關環境、載具本身特性的相 關數學模型，並發展有效的控制策略，提供基本的方位與深度之自動控制功能。目前雖 初步已掌握小艇之基本動態行為，然而小艇動態模式尚有進一步修正的必要，以真正符 合現行設計之水下載具。因此第二年期的工作內容將略做調整為，針對現有之數學模式 結合海流與纜繩模式發展可靠之方位與深度控制器，而過去許多碩士論文的經驗正可作 為重要的參考依據。第三年期則將整合現行設計之小艇動態方程式，並改良方位以及深 度的控制效果，期能有穩定表現進而達到抗流的目標。 參考文獻 1. 張西川編譯，電子電路零組件應用手冊，全華圖書，民 79 年。 2. 許書務、游金湖編譯，光電元件應用技術，全華圖書，民 84 年。 3. 吳明哲、黃世陽編著，Visual Basic 6.0 學習範本，松崗電腦圖書，民 87 年。 4. www.arbor.com.tw 5. www.adlink.com.tw 6. 林俊男，海底無人小艇之方位控制，國立中山大學機械工程研究所碩士論文，中華 民 87 年。 7. 黃堃洋，開框架式無人小艇之設計、動態分析與控制，國立中山大學機械工程研究 所碩士論文，民 89 年。 8. 郭明翰，海底無人小艇模擬與控制之研究，國立中山大學機械工程研究所碩士論 文，民 83 年。 9. 顏嘉偉，海底無人小艇電腦控制系統之設計，國立中山大學機械工程研究所碩士論 文，民 83 年。 10. 蘇立欣，海底無人小艇之微電腦控制系統，國立中山大學海下技術研究所碩士論 文，民 87 年。 11. 陳耀祖，參數式自調模糊控制器於海底無人小艇之方位控制之研究，國立中山大學 機械工程研究所碩士論文，民 84 年。 12. 陳宜興，複合式適應控制在海底無人小艇上之應用，國立中山大學機械與機工程研 究所碩士論文，民84年。