0 引　言

水下作业主要依靠ROV等无人平台完成，在作业过程中，为保证作业任务顺利完成，操控人员需要同时对ROV的运动、观察操控、机械手作业等进行控制，这对作业操控设备提出了功能齐全、操作便捷等高要求。目前国内外主要基于手持控制单元、遥控手柄等操控设备完成作业操控，同时通过运行于操控台上的操控软件实现ROV状态监测，但目前的ROV操控设备及软件通常只能用于对特定型号ROV的操控。

深海空间站具有深海科学研究、深海资源勘探开发、海洋安全保障等多种使命任务，因此需要搭载多种用途和型号的ROV开展协同作业任务，实现各种型号ROV装备的统一操控。针对这一需求，本文开展ROV操控标准及通用操控技术研究，针对ROV操控的硬件，规范ROV操控的信息及电气接口，采用标准接口进行构件化定制，实现操控设备及模块的灵活更换，并通过上层应用软件与操控设备解耦的通用设计方案，满足不同作业任务多型操控设备的接入需求。

1 国外ROV操控技术发展现状

PantherPlus型作业级ROV最大作业深度1000 m，水下重500 kg，能够携带105 kg负载，搭载10组无刷推进器、2组液压机械手，可执行包括海洋科考、搜索、打捞、发掘、水下防护等民事及探雷、排爆、搜救、海上安全保释等军事领域任务。该型ROV综合利用手持控制单元、机械手手持控制单元进行水下作业控制。手持控制单元集成了摇杆、电位器旋钮、按钮开关和拨动开关，可实现 ROV 航行操控、推力设置、速度调节、定深/定向运动模式切换、水下灯亮度调节、云台旋转、相机拍照、多相机视图切换、推进器使能、脐带缆收放等操作控制。手持控制单元通过6 m长的电缆与岸基控制单元连接，实现自身供电与信号传输。机械手手持控制单元集成了6组摇杆、1组拨动开关、2组指示灯，可完成2组六自由度液压机械手的作业操控。该单元通过防水接插件连接至岸基控制单元，实现自身供电与信息传输。

Sea-Wolf 2型ROV由加拿大Sharkmarine公司生产研制，最大作业深度600 m，重113kg，可搭载多种观导设备和机械手，配有4组高性能推进器，可实现在恶劣环境下的运动控制，用于水下搜索救援、调查取证、水下威胁排除等任务。该型ROV利用罗技Wingman无线遥控手柄完成水下作业控制。无线遥控手柄集成了多组摇杆和按键，可实现ROV航行操控、速度调节、定深/定向/定高运动模式切换、水下灯开关、云台旋转、多相机视图切换、两自由度机械手操控等操作控制。该手柄通过设置第二功能按键，实现了多个按键的功能复用，极大拓展了手柄功能。无线遥控手柄通过2.4G无线或USB与岸基控制单元连接，实现控制信号传输。无线遥控手柄具体功能描述如图1所示。

SeaBotixLBV200微小型观测用水下工业机器人由美国Teledyne公司开发，部署简单，安装便利，坚固耐用，便于水下工业机器人吊放利用，该类型的ROV最大作业水深达200 m，携带4台推进器、用于水下观测、水下简易打捞、水下事故调查等任务。该型ROV利用手持操控单元完成水下作业控制。手持操控单元集成了摇杆、旋钮和按键，可实现ROV航行操控、速度调节、定深/定向运动模式切换、水下灯亮度调节、云台旋转、多相机视图切换、单功能机械手操控等操作控制。该操控单元大部分功能均通过按键实现，并配合面板的指示灯提示用户ROV当前的运动模式。手持操控单元通过线缆与岸基控制单元连接，实现自身供电和控制信号传输。

2 ROV操控标准信息接口 2.1 航行控制类信息

航行控制类信息用于控制ROV航行运动，主要包括ROV纵移、横移、转首、潜浮、定高、定深、定向、定速实时控制指令，以及推进器增益设置等参数配置指令。ROV航行控制类信息如表1所示。

2.2 观察控制类信息

观察控制类信息用于控制ROV水下观测活动，主要包括ROV相机变焦、相机切换、云台旋转、水下灯亮度调节等控制指令。观察控制类信息如表2所示。

2.3 作业控制类信息

作业控制类信息用于控制ROV机械手，主要包括机械手手爪开合、手爪旋转、小臂伸缩、大臂伸缩、大臂旋转等控制指令。作业操控信息如表3所示。

2.4 供电控制类信息

供电电控制类信息用于ROV各设备上断电控制，主要包括ROV上断电、推进器使能、水下灯上断电、声呐上断电、机械手上断电等控制指令。供电控制类信息如表4所示。

3 ROV操控通用软件设计

针对多种异构接口作业操控设备便捷接入需求，提出一套基于软件功能分层的通用操控设备软件设计思路，实现作业操控功能与操控设备硬件资源的解耦，从而解决由于操控设备的更换导致上层应用软件颠覆变动的问题，同时实现操控功能软件资产的持续积淀，形成作业操控功能软件库。

通用控制系统软件采用3层软件架构，即应用层、中间层和驱动层。应用层主要包含作业操控软件，该软件利用中间层转换的操控设备信息完成ROV等水下作业设备的操作控制。中间层是通用软件的核心，负责解析操控设备指令，执行操控逻辑，管理下层硬件设备，实现和操控设备硬件资源的映射。驱动层主要用于提供操控设备驱动API，供中间层调用，完成对操控设备的控制。3层软件架构做到了硬件与软件之间的彻底隔离，在更换硬件的同时，只需更换对应的硬件驱动层，其上的虚拟硬件接口不变，应用的程序也将完全感觉不到硬件的改变，也不需再对应用层进行修改，能极大节省了硬件平台转换的成本，并保证了ROV通用操作环境的可靠性与稳定性^[1]，该软件架构如图2所示。

中间层是3层设计中的关键一层，其相对于上层，可严格独立于应用，同样，对下层也可严格独立于操作系统以及硬件，代码完全可以进行移植，为应用层提供一组规范的通用服务和完备的API。中间层负责进行系统管理操作，确定具体的外设型号，管理产品驱动程序，分离上层和底层系统，为软件业务的实现建立规范的接口，适应上层应用的管理要求，完成对具体硬件的管理任务^[2]。通过软件抽象技术，将对各种不同硬件的具体操作，抽象为相对应的标准模块，尽管硬件接口和对应的设备驱动程序不同，但提供给应用层调用都是一致的标准接口^[3]。如图3所示，各操控手柄的硬件操作封装于驱动层，提供相应API供中间层调用。中间层完成各个设备的注册管理，获得驱动层上传的数据。应用层操作中间层的数据，从而将硬件操作与应用操作完全隔离开。

此外，中间层能够提供事件管理功能，实现对操控设备插入、操控设备拔出、操控设备故障等事件的处理。

4 设备免驱的ROV操控电气接口

针对操控设备即插即用需求，需要解决操控设备免驱的问题。目前所有的操作系统都已经内置了通用的HID设备驱动程序^[4]，因此通过USB电气接口与HID协议，可解决因操作系统升级、跨平台使用带来的驱动升级改变问题。

4.1 HID设备

HID (Human Interface Device)是一种常用的USB系统外设类型，通常用于与计算机互相通信。一般来说，USB HID协议定义了HID设备和主机之间的通信流程和通信协议，通用的HID设备可以直接使用HID设备类驱动程序与计算机进行通信，不需要额外安装驱动程序。根据HID设备的用途可以将它划分为以下4类^{[5 - 6]}：

1）普通输入类型设备

包括键盘、鼠标、游戏手柄等。

2）面板控制类型设备

包括开关和按钮等。

3）控制器类型设备

包括遥控电话、遥控电视等。

4）数据接收类型设备

只通过HID协议接收数据，不需要人机交互，包括电压计、电流计等。

4.2 USB HID接口控制器设计

参考USB HID协议，USB HID接口控制器和主机之间需建立控制传输和中断传输管道2种传输管道^[7]。控制器使用控制的传输管道进行设备枚举，从设备中上传信息，并下发Get请求和Set请求，在设备资源方面占用默认的端点零。控制器使用中断传输管道进行实际的负载数据传输，其内部分配2个中断类型的端点，分别用于数据接收和发送。

在主机的USB接口中，D-和D+线间有下拉信号，当未接USB设备时为低电压信号。当外设接入主机后，会使主机USB接口的D+线电平升高，主机便在硬件上感知到有新的设备接入。主机的USB总线驱动程序便会为新接入的外设提供一个唯一的地址，但在分配新地址前，新新接入的外设的地址也将为0^[8]。

主机检测到从机接入后，开始标准设备枚举过程，包括请求和接收设备描述符、设置从机地址、请求和接收配置描述符3个步骤。标准设备枚举之后，进行HID类设备枚举，主机向从机发送Get HID类描述符请求，然后接收到相关描述符。在控制器全部枚举后，系统进入正常的工作状态。在Windows环境下可以调用ReadFile()、WriteFile()函数实现USB HID通信，在Linux环境下可以调用libusb库实现USB HID通信。控制器USB HID接口主从机枚举工作和交互过程如图4所示。

5 结　语

本文规范了多型ROV统一操控的信息接口和电气接口，提出了ROV操控通用软件的设计架构。在此基础上研制ROV通用操控台，该操控台通过标准接口进行构件化定制，可实现操控设备及模块的灵活更换，满足深海空间站不同作业任务多型ROV装备的接入需求。