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基于Pixhawk与开源架构的ROV总体设计与运动控制

李行行 朱发新 廖煜铭 董良雄 王盛儿

李行行, 朱发新, 廖煜铭, 等. 基于Pixhawk与开源架构的ROV总体设计与运动控制[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(1): 167-174 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0136
引用本文: 李行行, 朱发新, 廖煜铭, 等. 基于Pixhawk与开源架构的ROV总体设计与运动控制[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(1): 167-174 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0136
LI Hanghang, ZHU Faxin, LIAO Yuming, DONG Liangxiong, WANG Shenger. Overall Design and Motion Control of an ROV Based on Pixhawk and Open-Source Architecture[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2026, 34(1): 167-174. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0136
Citation: LI Hanghang, ZHU Faxin, LIAO Yuming, DONG Liangxiong, WANG Shenger. Overall Design and Motion Control of an ROV Based on Pixhawk and Open-Source Architecture[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2026, 34(1): 167-174. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0136

基于Pixhawk与开源架构的ROV总体设计与运动控制

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0136
基金项目: 2025浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(2025R411CO47); 2024年教育部供需对接就业育人项目(2024103088623); 2022年浙江省优秀研究生课程(2022YXKC0235); 2022年浙江省“十四五”研究生教育改革项目(2022KCSZ0236).
详细信息
    作者简介:

    李行行(2000-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下机器人控制

    通讯作者:

    朱发新(1982), 男, 硕士, 副教授, 主要研究方向为智能机舱管理

  • 中图分类号: TJ630; U663

Overall Design and Motion Control of an ROV Based on Pixhawk and Open-Source Architecture

  • 摘要: 为优化水下航行器开发周期与项目成本, 文中设计并实现了一种基于开源软硬件平台的遥控水下航行器(ROV)系统。首先, 利用Fusion360软件完成ROV的三维建模, 并采用3D打印技术实现原型快速制作; 其次, 设计构建了一种Pixhawk与树莓派(RPi)的组合式分层控制架构: 上层由RPi作为决策单元, 负责运行机器人操作系统(ROS)节点、处理视觉数据、执行任务规划及与地面站的高速通信; 下层由Pixhawk作为实时运动控制单元, 负责航行姿态计算和推进器驱动, 通过MAVLink通信协议实现上下层间及与远程地面站的数据交互。静水环境测试结果表明, 该ROV平台能稳定接收并响应地面站发送的控制指令, 定深控制精度在±0.3 m以内, 航向控制偏差小于±3°。研究表明, 基于开源Pixhawk飞控平台与低成本制造技术的研发路径具备可实现性, 该方案缩短了航行器的开发周期, 降低了成本, 并且其软硬件架构可扩展, 为中小型水下探测装备的快速研发提供了可复用的技术参考与实践经验。

     

  • 图  1  ROV结构

    Figure  1.  Structure of the ROV

    图  2  耐压舱

    Figure  2.  Pressure hull

    图  3  推进器布局

    Figure  3.  Layout of the thrusters

    图  4  电子舱内部架构

    Figure  4.  Internal architecture of the electronic cabin

    图  5  ROV控制系统

    Figure  5.  Control system of the ROV

    图  6  NED坐标系建立

    Figure  6.  Establishment of the NED coordinate system

    图  7  Pixhawk硬件框图

    注: RTMC为实时惯性测量与控制单元(real-time monitoring center); SPI为串行外设接口(serial peripheral interface); SDO为串行数据输出(serial data out); DMA为直接内存访问(direct memory access); 4PWM为4通道脉冲宽度调制输出(4-channel pulse width modulation)。

    Figure  7.  Hardware block diagram of Pixhawk

    图  8  水下实验深度信号曲线

    Figure  8.  Depth signal curve of underwater experiment

    图  9  航行器航向控制实验结果

    Figure  9.  Experimental results of heading control for the ROV

    表  1  小型ROV设计参数

    Table  1.   Design parameters of the small ROV

    指标参数具体要求
    外形尺寸600 mm×450 mm×300 mm
    质量与浮力空气中质量小于15 kg, 具备轻微正浮力,
    通过压载可实现中性浮力
    工作深度最大深度10 m
    机动性具备纵荡、横荡、垂荡、艏摇4个自由度的运动能力
    续航时间可持续工作不少于1 h
    控制系统基于开源平台, 具备远程遥控和半自主控制能力
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    表  2  定深控制实验数据统计结果

    Table  2.   Statistical results of depth-keeping control experimental data

    统计指标 数值 说明
    平均深度/m 1.02 60 s内有效数据算术平均值
    绝对误差/m ±0.3 最大正向/负向偏差
    标准差/m 0.08 深度数据的离散程度
    稳态误差/m ≤0.05 最后10 s数据与目标值的平均偏差
    超调量/% 3.2 首次到达目标深度后, 最大深度
    与目标值的比值
    下载: 导出CSV

    表  3  航向控制实验数据统计结果

    Table  3.   Statistical results of heading control experimental data

    统计指标 数值 说明
    平均航向角/(°) −0.8 60 s有效数据的算术平均值
    正向偏差/(°) +4.2 航向最大值与目标值的差值
    负向偏差/(°) −5.1 航向最小值与目标值的差值
    偏差范围/(°) ±5.1 实际控制偏差范围
    标准差/(°) 1.3 反映航向数据的离散程度
    稳态误差/(°) ≤0.5 最后10 s数据与目标值的平均偏差
    超调量/% 8.5 首次响应时最大航向与目标值的比值
    调节时间/s 6.2 从发送指令到航向波动小于 ±1°所需的时间
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-09-28
  • 修回日期:  2025-10-31
  • 录用日期:  2025-11-06
  • 网络出版日期:  2026-01-13
图(9) / 表(3)

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