基于ROS機器人操作系統的水下機械臂控制系統的研究本文以R5M水下機械臂為控制對象，以水下機械臂的實際應用場景為參考，研究了水下機械臂控制系統的集成，提出了一種水下機械臂控制系統的設計方案。首先對控制系統的結構進行了介紹，其次使用Zynq-7020全可編程硬件平臺搭建水下機械臂控制系統的硬件框架，再使用ROS機器人操作系統搭建水下機械臂控制系統的軟件框架。最后通過實驗平臺，測試控制系統軟件平臺的功能。1.國內外水下機械臂研究現狀1.1國外水下機械臂研究現狀西方國家較早開始對海洋的探索，在發展水下設備的過程中開展了水下機械臂的研究，經歷了50多年的發展，技術相對成熟。且隨著水下機械臂技術的不斷完善與應用場景的增多，逐步向商用化方向發展，許多外國公司相繼推出了更多針對不同應用場景的商用水下機械臂。美國Schilling公司是著名的水下機器人公司，其研發的Orion7P是一款重型七功能液壓水下機械臂。重量為54kg,一般搭載于中型ROV上進行水下安裝與勘探任務。Titan4也是一款七功能水下機械臂。區別于Orion7P,Titan4的重量更高，達到100kg,專為重型ROV搭載設計，采用液壓驅動方式，可以抓取搬運400kg重量以內的物體。英國科技公司Hydro-lek科技公司設計了多款專為小型ROV搭載的水下機機械臂。兩款水下機械臂都采用了液壓驅動的方式，適用于輕型ROV搭載，可以在2000米水深內進行作業。我國自1980年起開始對水下機器人和水下機械臂進行研究，相較于發達國家而言，國內該方面研究起步較晚，缺乏技術的積累，具有較大的差距。目前我國水下機械臂的研究大多處于實驗室科研階段，缺乏商用水下機械臂產品，在海洋探索研究等領域所使用的水下機械臂依舊依賴于進口產品。近年來我國眾多科研院校積極參與水下機器人與水下機械臂的研究，華中科技大學是我國最早開始研究水下機械臂的院校單位，其最新研發的“華海-4E”水下機械臂為四功能水下機械臂，采用了電驅設計，為提升耐壓性，采用了油壓密封的方式，可以承受水深3500內水壓。2.水下機械臂控制系統硬件功能設計2.1串口通信IP核設計在水下機械臂控制系統中，水下機械臂控制器與R5M電動水下機械臂和其他專用水下傳感器設備均使用串口通信的模式。本文使用了Zynq-7020平臺中PL硬核設計水下機械臂控制器的串口通信模塊，利用FPGA可以自定義電路的特性，同時設計出任意多路串口通信模塊，相互獨立進行數據的接收與發送，提高了多路數據的通信速度。水下機械臂末端通常會安裝高清攝像頭，用于采集水下圖像，有利于遠程控制人員觀察水下環境。OV7725圖像傳感器具有高感光性，適合在光線較弱的水下環境中使用，該攝像頭內部集成了圖像處理單元，可以輸出640*480像素圖像，輸出幀率可達60fpsc本文根據OV7725圖像傳感器的信號時序圖，在Zynq-7020平臺的PL端設計圖像采集IP核，利用FPGA的特性，通過硬件時序，按幀獲取OV7725圖像傳感器輸出的圖像數據，并轉換為視頻流格式。在Vivado環境下，使用VerilogHDL語言進行設計得到視頻圖像采集IP核。2.3嵌入式系統部署Zynq-7020平臺中的PS核是由雙核的ARMCrotex-A9組成，與傳統ARM芯片相同，可以部署Linux等嵌入式實時系統。故本設計按照先獲取硬件描述文件，再配置Petalinux工程，最后編譯Petalinux工程的步驟在Zynq-7020平臺中的PS端部署Ubuntu16.04操作系統，并安裝ROS機器人操3.水下機械臂控制系統軟件功能設計機器人統一的描述格式。使用ROS機器人操作系統搭建水下機械臂的軟件控制環境時，需要設計水下機械臂模型并導入ROS。機器人模型由若干個joint與若干個link連接而成。模型中的關節joint兩端連接至兩個link,分別為parentlink和childlink。URDF模型可以自行完成坐標系轉換，轉換的順序是先父連桿坐標系，再關節坐標系，最后為子連桿坐標系。以此類推，完成機器3.2水下機械臂MoveIt!功能包配置本文配置水下機械臂MoveIt!功能包的基本流程如下：(1)生成水下機械臂SRDF文件。在SRDF文件中需要對機器人關節進行分組，為每個關節添加更多的物理屬性，實現碰撞檢測等高階等功能；(2)添加配置文件。配置機器人運動解算功能、運動規劃功能與機器人傳(3)創建啟動文件。在ROS內啟用功能包時，需要編寫啟動文件即launchfile,其中包含了在器人控制中用到的所有功能節點。ros_control是ROS機器人操作系統為機器人控制開發提供的中間控件功能下機械臂有五個功能關節，為機械臂的每個關節設計joint_position_controller,接收joint_state話題發布的目標的角度，通過ros_control直接提供的PID控制器輸出控制指令。4.結論本文基于ROS機器人操作系統，設計了PC與嵌入式協同工作的水下機械臂的控制系統，由于ROS機器人操作系統中內置了多種機器人功能包，可以快速實現各類控制計算，滿足了控制系統對開發便捷性需求；同時由于ROS機器人操作系統的分布式架構特性使其可以部署在PC端與嵌入式端，并利用網絡通信完成數據交互，滿足了控制系統對實時通信的需求；通過在PC端的ROS中實現控制功能的計算，滿足了控制系統對計算能力的需求。ManipulatorandItsFree-FloatingAutonomousOperation[J].IEEETransactiononMechatronics,2016,21(2):815-824.ManipulatorBasedonROSPlatform[J].JournalofShanghaiJiaotongUniversity,2016,50:94-97.[3]李鳳.基于ROS的機械臂控制系統設計[J].37(11):72-76.自動化技術與應用，2018,[4]ZhaiX,Ait-Si-Ali