列墨瑞克大學 (University of Limerick) 使用圖形化系統設計，進行無人水下載具 (UUV) 的開發與控制
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Author(s):
Edin Omerdic - 列墨瑞克大學 (University of Limerick) 行動與海洋機器人研究中心 (Mobile & Marine Robotics Research Centre)
Industry:
Machines/Mechanics, University/Education, Research
Products:
Machine Vision, Real-Time Module, LabVIEW, FPGA Module, Simulation Module, CompactRIO
The Challenge:
所開發的平台應能夠輕鬆整合觀測設備，與無人水下載具 (UUV) 的進階控制開發系統。
The Solution:
使用 NI CompactRIO、Compact Vision System (CVS)，與 LabVIEW，建立混合的軟硬體工具；透過快速控制原型製作與硬體迴路 (HIL) 技術，作為 UUV 進階控制運算式的系統整合、測試，與建置的通用解決方案。
"列墨瑞克大學的研究者使用 NI 軟體與硬體，以設計並控制虛擬的水下實驗室。"
在列墨瑞克大學的行動與海洋機器人研究中心 (MMRRC)，我們建立水下開發的通用解決方案。針對目前研究專案的一部分 (HEA PRTLI III「Deep Ocean Habitat Mapping Using an ROV」)，MMRRC 需要現今最新的觀測設備，包含高解析度的多束 (multibeam) 聲納 RESON SeaBat 7125；IXSEA 光子慣性導航系統 (PHINS)；RDI 都卜勒速度儀 (DVL)；MicroBath 深度感測器；適於偵測障礙物的 6 組 TriTech 數位精確高度計；NI CompactRIO；與 NI Compact Vision System (CVS)。
以 RV Celtic Explorer 於 2005 年 2 月與 6 月進行的研究過程中，我們發現整體系統整合的弱點，並以虛擬的水下實驗室 (VUL) 完成我們所需的解決方案。VUL 為混合的軟硬體工具，為了克服已知的問題所設計；並於整合了實際與模擬的環境中，提供可進行開發、建置，並測試進階控制運算式的架構。
平台需求
由於水下環境的複雜性，載具控制系統必須針對多種外在的干擾，避開其他障礙與影響因素 (海流、遙控載具的臍帶拖曳效應等)。載具的實際外型與致動器設定 (推進器與控制介面的數量、位置，與方向)，將更為拘束受限的控制行動。若無法有效率地設計控制系統，則必須花費額外不必要的時間進行錯誤追蹤。此外，若無法妥善分配致動器控制，亦將無法有效率地使用載具的能源。
一般海床觀測任務，即需整合現有的船隻設備 (GPS、USBL)，與 ROV 的內建元件 (多束、慣性導航系統、DVL、深度感測器、聲速感應器、視覺系統)。若要取得最佳的導航資料，則必須根據作業所需，重新設定某些元件，以即時獲得最高效能。整合整體系統亦需要極佳的專業技術。由於出海期間的花費昂貴，若要於實際條件下使用設備亦需要大量成本。
最新的 ROV 可於深海進行取樣、資料擷取，與高解析度的聲音與視訊觀測。昂貴的設備往往必須靠近海床進行作業，因此 ROV 駕駛必須負責控制載具，並避免設備發生損傷。開發一系列的輔助工具 (控制運算式)，可協助 ROV 駕駛以新的技術，輕鬆執行現有程式的必要複雜作業。駕駛亦必須引領載具回到初始位置，啟動對應的輔助工具 (運算式)，並監控執行中的作業。
環境模擬
在水下環境中，ROV 駕駛的視野即受限於內建相機。載具的側邊視野 (side view) 與水下環境，均增加了操控的難度。我們使用載具、船隻，與海床的 3D 模型，以虛擬實境 (VR) 的水下景觀造出此側邊視野，並將即時訊號從感測器 (ROV 與船隻的位置與方向) 傳送至 VR 場景。為了在虛擬環境中使用 VUL，我們以軟硬體模擬器，取代了船隻 (GPS1、GAPS) 與 ROV (PHINS、外接感測器、供電線路，與測漏儀) 的實際元件。
我們使用 LabVIEW 狀態圖工具組 (State Diagram Toolkit)、LabVIEW Simulation Module，與 LabVIEW FPGA Module，於 NI LabVIEW 中建置所有軟體 (除了聲納模擬器)。我們整合資料 (個別元件的輸出) 至叢集，並以 NI Publish-Subscribe Protocol (NI-PSP) 為基礎，使用網路與共用變數傳輸資料。NI-PSP 僅使用較低的網路頻寬，並較 TCP/IP 更有效率。
更重要的一點：我們即時同步化了所有模擬器。我們建置了完整的 6 組自由度 (Degrees-of-freedom) 的載具動力模型，包含非線性的推進器 DC 馬達動力；如飽和、擺動率限制器 (Slew-rate limiter)、摩擦力，與非線性螺旋槳負載。我們模擬船身與 ROV 模擬器的不同元件，根據各元件的動力，成為不同速度的平行迴圈。
作業執行控制
控制系統使用混合的控制方式，整合優點包含由上往下 (top-down)、繼承、人工智慧、由下而上 (bottom-up)，與行為架構的方式。我們建置 2 組高階的作業執行工具 – 路點 (Waypoint) 追蹤與避障 (Obstacle avoidance) 控制。這些作業執行工具要能協調控制致動器。我們並開發了控制緩衝的概念，以對不同的作業執行控制需求，提供更輕鬆的整合方法。每作業執行器均具有自己的控制叢集，並內建控制緩衝。控制叢集包含手控單元 (HCU) 的元件 (模擬虛擬搖桿) 與低階控制器 (啟用/停用個別控制器的設定點與開關) 的設定。
根據作業與導航資料 (與實際情況的互動)，每控制叢集均具有回應遮罩 (corresponding mask)。我們依重量與邏輯閘建立遮罩，並可整合為控制叢集的相同架構。相乘以控制叢集與遮罩中的對應範圍，以執行遮罩。遮罩性質將決定作業執行器的優先順序。如此一來，即可能控制控制不同作業執行器之間的合作與競爭程度。在執行遮罩之後，控制叢集可整合至 Winner Control Cluster；為專屬的致動器控制。
我們在 VUL 中建置了 2 組計畫器 (Planner) – Mission Planner 與 Tracking Waypoints Planner。Mission Planner 為使用 LabVIEW 狀態圖工具組 的狀態機器，為作業集裡面的作業分割 (Decomposition)。控制執行層將管理低階互動層的活動，並處理相關狀況。根據外部條件或內部計算，Mission Planner 將決定下一部所應執行的狀態。
我們執行 Tracking Waypoint 狀態內部的實際路點引導。Tracking Waypoints Planner 為 Tracking Waypoints Super-State 所衍生的狀態機器，其主要功能是將路點引導運算式分解為作業集。根據事先定義的追蹤模式 (不變的深度或高度)，Auto-Heave 低階控制器 (深度或高度) 對應的作業模式，將於路點引導期間持續在 Tracking Control Cluster 中啟用。飲導電腦將執行即時的側掃 (side-scan)/多束聲那模擬器；亦由研究團隊所開發。
我們開發一系列的 LabVIEW 工具組，包含 4 元組的 VI、動力轉換、地形資料轉換，與特殊的訊號處理。使用這些工具組，我們亦可完成 Express VI 的程式庫，包含控制應用、搖桿處理、PHINS 模擬器與條件，和虛擬實境 (VR) 的介面。
控制應用
我們在控制應用 Express VI 中，建置了混合控制應用。在完美 (fault-free) 案例中，最理想的控制位置，將可確保所有可能的指令輸入。在故障情況下，系統故障診斷部份，將使用故障偵測單元，立即偵測並隔離推進器中的故障，並以故障指示器的形式發送出錯誤資訊。系統的故障調整部分，將使用資訊進行故障調整，並關閉發生故障的推進器。
我們並可重新分配其他可操作推進器中的控制能源，於同時重新分配控制。Slider HT 與 VT 飽和，將整合並控制每推進器的使用程度。根據推進器狀態 (堪用情況、部分故障，或完全故障)，ROV 駕駛員或故障調整系統，將決定其相關位置。
推進器速度飽和度的視覺化，將整合部分的故障診斷與調整系統 (FDAS)，以更進一步看到受限的推進器設定。作業期間， ROV 駕駛員與/控制準則將產生一般輸入，可用不同方向延伸至指令空間。推進器設定將決定指令空間之內的飽和界線位置。為了避免推進器加速過快，我們不會將指令輸入延伸至飽和界線之外。推進器中的任何故障，將改變可得指令集 (Attainable command set) 的外觀。使用如 Thruster Velocity Saturation Indicator 與 Virtual Control Space Visualization Tool 的不同指示器與視覺化工具，FDAS 將針對實際可得指令集相關的指令輸入位置，告知 ROV 駕駛/主要控制器。使用此資訊，當發生推進器速度飽和時，即便是無經驗的 ROV 駕駛亦可進行偵測，並修正指令輸入。
透過 NI 硬體與軟體的幫助，MMRRC 正成功開發 VUL 通用硬體/軟體工具，以整合現有 ROV 與船上資源的觀測設備。我們相信我們的應用，將可引出 LabVIEW 與 NI 硬體中的潛能。VUL 具有開放架構，可在實際環境中執行實際測試之前，讓研究者在安全、模擬的環境中，開發、建置，並測試進階控制運算式。模擬與實際環境之間的訊號相容性，可讓工程師在系統設計時，使用快速控制原型製作與硬體迴圈 (HIL) 開發技術。
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