基于开源软件Ardusub的水下机器人ROV控制系统.pdf
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2021-11-26
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基于开源软件 Ardusub 的水下机器人 ROV 控制系统
摘要：随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作
业中发挥着越来越重要的作用。ROV 作为水下作业的重要工具，对运动控制算法
要求较高，采用开源软件 ArduSub，结合一种模糊串级 PID 控制算法实现 ROV 控
制系统的设计，重点对 ArduSub 的特点、适应配置及 PID 控制算法原理，包含运
动和姿态方面进行了阐述，能够良好实现 ROV 的水下控制。
1 引言
随着海洋资源开发以及水下领域作业任务的增加，水下机器人在水下作业中
发挥着越来越重要的作用。其中 ROV 续航持久，成本相对较低，逐渐成为水下作
业的重要工具。ROV 工作于水下环境，具有非线性、易受环境影响等特点，对运
动控制算法要求较高，同时要求整个控制系统要有较好的实时性和可靠性。
2 开源软件 ArduSub 简介
ArduSub 水下机器人的控制器是一个完整的开源解决方案，提供远程操作控
制(通过智能潜水模式)和全自动的执行任务。作为 DroneCode 软件平台的一部分，
它能够无缝地使用地面控制站的软件，可以监控车辆遥测和执行强大的任务规划
活动。它还受益于 DroneCode 平台的其他部分，包括模拟器，日志分析工具，为
车辆管理和控制和更高层次的 api。
其主要特点在于以下几个方面：
反馈控制和稳定性：ArduSub 控制器基于多旋翼自动驾驶系统，具有精确的
反馈控制，可主动维持方向。
深度保持：使用基于压力的深度传感器，ArduSub 控制器可以将深度保持在
几厘米内。
航向保持：默认情况下，ArduSub 在未命令转动时自动保持其航向。
相机倾斜：通过操纵杆或游戏手柄控制器与伺服或万向节电机进行相机倾斜
控制。
灯光控制：通过操纵杆或游戏手柄控制器控制海底照明。
无需编程：ArduSub 控制器适用于各种 ROV 配置，无需任何自定义编程。大
多数参数可以通过地面控制站轻松更改。
兼容性好：ArduSub 兼容许多不同的 ROV 框架，支持 PWM 输出。
由于以上特征，使得 ArduSub 成为一款可以很好适用于水下机器人 RPV 控制
系统的开源软件。
ArduSub 兼容基于串行和以太网的通信接口。使用的硬件自动驾驶仪必须支
持选择的选项。 Pixhawk 仅支持串行连接，但可以通过配套计算机连接到以太网。
其他 autopilots 原生支持以太网。ArduSub 软件主要用于通过 ArduSub 进行接口，
ArduSub 是一种开源的跨平台用户界面，适用于所有类型的无人机。该接口通过
系绳连接到 ArduSub 控制器并显示车辆状态信息，并允许更新参数和设置。最重
要的是，QGC 与用于指挥车辆的操纵杆或游戏手柄控制器连接。
ArduSub 包含一个高级的电机库，支持多个框架，例如具有 6 自由度推进器
定位的 BlueROV 配置（图 1 所示）、带有并排垂直推进器的矢量 ROV（图 2 所
示）、采用单垂直推进器的 ROV（图 3 所示）等等。
在传感器和执行器方面，除了标准的板载传感器（IMU，指南针），ArduSub
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