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作业型rov动力定位控制技术研究

作业型ROV动力定位控制技术研究

作者：刘合伟哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

海洋是二十一世纪重要的资源宝库,在当今世界能源紧缺和全球变暖的大环境下,作业型rov(Remotely Operated Vehicle)作为一种深海资源探测和开采设备,在海底资源的开发过程中发挥着重要的作用。本文针对作业型rov动力定位控制系统进行了... 详细信息

海洋是二十一世纪重要的资源宝库,在当今世界能源紧缺和全球变暖的大环境下,作业型rov(Remotely Operated Vehicle)作为一种深海资源探测和开采设备,在海底资源的开发过程中发挥着重要的作用。本文针对作业型rov动力定位控制系统进行了设计和研究,以作业型rov为控制载体,把动力定位的控制思想加入到作业型rov的控制策略当中,以提高水下作业的精度和效率。论文首先阐述了作业型rov动力定位控制系统的构成,给出了动力定位主控系统、液压推进系统和导航定位系统的平台实现方案,重点对推进器驱动系统进行硬件电路设计与软件系统设计,搭建了动力定位推进器系统硬件平台,同时完成了相关软件的编写,并对rov动力定位控制要实现的功能进行介绍。其次,构建rov三维空间六自由度动力定位数学模型,并详细推导了rov发生横滚和纵倾时的全误差推进系统模型。根据水下作业的需求,对rov动力定位模型做了解耦简化,构建水平面三自由度线性运动模型和垂向、纵倾和横滚的单自由度模型,为动力定位控制器的设计奠定基础。再次,针对作业型rov动力定位控制系统设计了控制器,按照水下作业需求设计三种对应控制器:为了满足rov水下定深、定高的垂向定位控制,设计了基于生物启发模型的滑模控制器;为了满足作业姿态需求,对纵倾和横滚姿态控制设计了带有干扰观测器的自适应积分反演控制器;为了实现水平面定点定位控制,设计了基于线性二次型(LQ)最优控制器;三种控制器都给出了详细的推导过程,通过李雅普诺夫稳定性理论证明控制器的稳定性,并通过仿真实验对控制效果进行了验证。然后对作业型rov的多姿态推力分配控制做了三维仿真验证,分配效果良好,实时性与抗干扰能力满足要求。最后,对系统中的推进器驱动单元、通信系统单元和导航定位系统单元三个重要的单元进行测试实验,并对rov进行海上动力定位验证实验,通过采集的实验数据分析证明该论文所设计的作业型rov动力定位控制系统的有效性,实现了较好的控制效果。

关键词：作业型rov 动力定位推进器驱动自适应积分滑模控制生物启发

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作业型rov系统结构设计与运动性能分析

作业型ROV系统结构设计与运动性能分析

作者：任龙盐城工学院

学位级别：硕士

作业型rov是一种为执行复杂的水下任务如清洗、勘探和维修等设计的具备远程控制的水下机器人。本文旨在开发一款多功能作业型rov,通过模块化设计理念,综合优化了其结构、动力学和水动力学特性,并通过实验验证其可靠性与应用广度。具体... 详细信息

作业型rov是一种为执行复杂的水下任务如清洗、勘探和维修等设计的具备远程控制的水下机器人。本文旨在开发一款多功能作业型rov,通过模块化设计理念,综合优化了其结构、动力学和水动力学特性,并通过实验验证其可靠性与应用广度。具体研究内容如下:(1)针对水下多样化作业需求,基于模块化设计理念确立了rov的整体系统方案。在详细设计中完成对框架及吊点模块、观察模块、耐压舱模块等关键模块的结构设计及校核。其中针对观察系统的作业需求对灯光舱及摄像舱进行优化设计;针对耐压舱的密封形式及材料的深入分析设计了方体舱与圆柱舱;通过优化浮力模块与推进系统布局,保障rov的水下作业稳定性和可靠性,解决了传统rov在水下多自由度运动与实时观测作业中遇到的问题;最后基于总体结构平衡设计完成稳定性校核。(2)针对水利工程绞车滚筒轻量化设计要求,提出轻量化设计方法解决了水利工程绞车滚筒设计中的重量与强度冲突问题。该方法通过分析滚筒及滚筒侧板受力并结合Capstan方程和层压效应,计算多层缠绕滚筒的缠绕应力和横向应力。应用双阶段结构优化策略,并通过ANSYS进行静力学分析,最终实现了滚筒重量的21.7%减轻。(3)针对传统欧拉运动方程的极点问题,通过构建基于四元数法的rov运动学模型解决了连续无奇点运动方程问题。综合考虑重力、浮力、水阻的影响得到动力学方程。通过CFD数值仿真对rov在不同航速下的六自由度水动力性能进行模拟,通过数据拟合明确阻力与速度的定量关系,为后续rov设计优化提供理论基础。(4)基于理论分析和数值仿真的结果,完成了rov样机的制作和系统调试。通过对耐压舱、脐带缆、推进器、网络摄像头等的测试,验证组件功能与系统稳定性。通过在水池实验和码头实验进行一系列运动性能验证,尤其在抗流性能测试中验证了其对复杂水流环境的适应能力。后续展开清洗作业实验为进一步优化设计提供实践经验。实验结果验证了rov设计的可靠性和实用性,展现了其在复杂水下环境中的稳定作业能力。本文通过对rov各个方面进行系统的分析、优化和验证,成功研发一款功能全面、性能优异的作业型水下rov,为水下复杂环境作业提供了有效的技术解决方案。

关键词：作业型rov 模块化设计水动力仿真滚筒优化

基于AMESim作业型rov液压推进系统的设计与仿真

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基于AMESim作业型ROV液压推进系统的设计与仿真

作者：刘西佳中国海洋大学

学位级别：硕士

由于现今人类对陆地资源的过度开采，将难以满足未来人们对资源的需求，而作为生命摇篮的海洋，却蕴含丰富的资源。因而，如何开发海洋资源将成为国民经济可持续发展的一大举措。虽然世界各国现已着眼于开发海洋资源，但由于海洋资源主... 详细信息

由于现今人类对陆地资源的过度开采，将难以满足未来人们对资源的需求，而作为生命摇篮的海洋，却蕴含丰富的资源。因而，如何开发海洋资源将成为国民经济可持续发展的一大举措。虽然世界各国现已着眼于开发海洋资源，但由于海洋资源主要集中于深水域，作业环境十分恶劣，故现今对海洋资源的开发仍然没有取得巨大进步。由于作业型rov具有环境适应性强、作业时间长以及便于水面控制等特点受到越来越多的关注。液压推进系统作为作业型rov的一个关键子系统也是实现水下机器人其他功能的一个前提条件，国外都对此做了众多的研究，但我国取得的成果依旧很少。本文以开架式作业型rov为研究对象，根据性能指标设计液压推进系统。为了实现rov6自由度运动，首先在结构上需要对8个推进器要求做了相应的空间布置。根据设计指标计算rov在6自由度运动时各自所受阻力。根据空间推力与力矩的计算式以及计算阻力值，求出rov完成各自由度运动需要单个推进器需要输出的推力。其次，在动力上选择液压系统为执行元件推进器提供所需的能量。根据推进器输出推力值，为液压推进器选择了型号。由该型号的输出推力与压力、流量曲线图，可知水下机器人完成各自由度运动液压推进系统需为推进器提供相应压力和流量的油液。因此，确定了液压系统额定压力和最大流量。根据液压系统设计步骤，对液压站和执行元件控制油路做了研究，并绘出液压原理图，同时为各液压元件选出合适型号。根据AMESim软件的功能，利用软件自带的标准件以及建模元件并参照液压原理图，完成了作业型rov液压推进系统的建模。最后，在控制上选取一种方法使推进器输出所需推力来验证系统性能。根据推进力与转速之间的关系，得出水下机器人完成6自由度运动各自对应推进器需达到不同的目标转速。分别采用闭环与PID控制方式来控制液压推进系统进行仿真分析，通过比较仿真结果，发现PID控制方法在验证液压推进系统设计合理性方面更具有说服力。同时，在对PID控制液压推进系统仿真中，利用AMESim与Matlab/Simulink联合仿真技术，发挥两个软件的各自优势，不但建立了液压模型和控制模型，而且还确定了相关仿真参数，这都有助于提高系统仿真效率。因此，采用PID控制液压推进系统对rov进行了6自由度运动仿真，根据仿真结果，验证了本文设计的液压推进系统在性能上能够实现作业型rov的6自由度运动。

关键词：作业型rov 液压系统设计与建模 PID控制仿真分析

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基于液压驱动的rov水下作业仿真研究

基于液压驱动的ROV水下作业仿真研究

作者：张润博哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

目前rov模拟器已经广泛应用于驾驶员操作技术培训、水下维修作业方案论证等领域,并取得丰硕成果。近年来随着陆地资源日益枯竭,人们将目光投向深海,而水下作业环境具有复杂多变、不确定因素多等特点,使得驾驶员对rov的远程操作变的困难... 详细信息

目前rov模拟器已经广泛应用于驾驶员操作技术培训、水下维修作业方案论证等领域,并取得丰硕成果。近年来随着陆地资源日益枯竭,人们将目光投向深海,而水下作业环境具有复杂多变、不确定因素多等特点,使得驾驶员对rov的远程操作变的困难,再加上驾驶员心理因素的影响,作业失败几率升高,易造成不可估量的损失,为此通过建立rov仿真模型,模拟rov水下作业时相关参数的变化,为驾驶员提供经验积累,提高操作水平,增加作业成功率。本文基于该目的,对rov的主要驱动系统--液压系统进行建模与仿真并结合rov动力学模型,模拟其水下作业时系统工作特性的变化,为驾驶员提供可参考的技术参数。本文主要进行以下几个方面内容的研究:首先分析rov液压系统的特点及基本工作原理并给出相关参数,建立基于功率键合图法的阀控液压马达数学模型,通过研究SMD公司给出的螺旋桨试验曲线,结合船舶四象限图谱建立螺旋桨的动力学模型。针对水下特殊环境,估算机械手各关节的负载能力。其次建立了基于AMESim的rov液压系统仿真模型,详细分析系统中关键部件的工作原理,采用测量、计算及对单一变量进行批处理的方法分析部件的响应特性,得到最优匹配参数。通过对比样本及理论分析验证液压泵站、单台推进器、压力补偿油箱、减压阀及二位三通换向阀模型满足系统的使用要求。再次建立rov水下作业动力学模型,采用推力合成的方法得到rov在空间五自由度运动方向上的驱动力(矩),并根据哈尔滨工程大学所做的水动力实验建立rov运动方程,通过对运动坐标系速度分解,得到每台液压推进器的进速。最后将rov液压系统模型与动力学模型相互结合,建立联合仿真模型,通过分析不同阀信号下rov的运动特性及机械手作业状态,验证联合仿真模型的正确性。在所建立的模型基础之上,采用改变参数的方法分析液压油的体积模量、绝对粘度、液压推进器的转动惯量、管路直径和管路长度对系统工作性能的影响。

关键词：作业型rov 液压系统 AMESim 联合仿真

基于多电机协同推进的遥控水下机器人动力定位研究

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基于多电机协同推进的遥控水下机器人动力定位研究

作者：任军江苏科技大学

学位级别：硕士

海洋占据了地球表面超过70%的面积,里面富含大量的矿产、能源和生物资源,在资源日益匮乏的今天,各国纷纷大力开发海洋资源。遥控水下机器人rov(Remote Operated Vehicle)作为水下观测、作业、探索的常用设备,在海洋开发过程中起到了重... 详细信息

海洋占据了地球表面超过70%的面积,里面富含大量的矿产、能源和生物资源,在资源日益匮乏的今天,各国纷纷大力开发海洋资源。遥控水下机器人rov(Remote Operated Vehicle)作为水下观测、作业、探索的常用设备,在海洋开发过程中起到了重要作用。本文以自主研发的作业型rov为基础,在多电机控制策略、永磁同步电机控制方法、rov动力定位控制和水下机器人实验系统研制等方面进行研究。首先,本文对作业型rov、多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和水下机器人动力定位的国内外最新研究状况与趋势进行分析,并根据水下机器人技术指标,对水下机器人进行整体设计。其次,着重研究了作业型遥控水下机器人多电机协同动力定位控制新方法。在多电机控制策略方面,本文提出一种虚拟主轴与偏差耦合相结合的控制策略,使得两种控制策略的优势互补,以提高遥控水下机器人多电机协同推进的快速性和准确性;在单台永磁同步电机控制方法方面,针对有限集模型预测电流控制在参数失配时稳定性能和动态性能有所下降的问题,本文提出一种基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法;在动力定位方面,本文对作业型rov建立数学模型并简化成4自由度运动学和动力学模型,在此模型的基础上设计了一种新颖的基于反步法的动力定位控制器。为了验证本文提出的多电机控制策略、永磁同步电机控制方法和设计的动力定位控制器,本文在Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果表明了虚拟主轴与偏差耦合相结合的多电机同步控制策略、基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法和基于反步法的动力定位控制器的有效性。然后,参与研制了作业型rov的实验系统,主要包括水面监控系统和主从机械手系统。水面监控系统包含rov运动监控系统、供电系统和声呐系统,其中重点设计了水面监控台信息采集电路板的软硬件和基于Qt的上位机监控软件。主从机械手系统包含液压系统、机械手系统和供电系统,其中重点设计了主机械手信息采集电路软硬件、从机械手控制电路软硬件和变频器控制电路软硬件。最后,对作业型rov进行实验与结果分析。实验包括本文重点设计的电路板和基于Qt的上位机监控软件的实际测试、主从机械手联调、永磁同步电机模型预测电流控制实验、多电机协同实验;以及作业型rov整体组装后的湖试实验,包括动力定位的定航和定深实验,最终的实验结果表明本文设计制作的作业型rov满足设计要求。

关键词：作业型rov 动力定位偏差耦合策略虚拟主轴策略模型预测控制

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作业型水下机器人关键技术及实验研究

作业型水下机器人关键技术及实验研究

作者：朱华伦江苏科技大学

学位级别：硕士

随海洋事业发展,有缆遥控水下机器人(rov)被广泛应用于湖泊、水库、港口,从事检修、勘探等工作,由于水下环境难以预知,故rov的自主性与安全性需得到一定保证。本文针对作业型rov关键技术及其实验开展研究,主要工作与结论如下:(1)根据作... 详细信息

随海洋事业发展,有缆遥控水下机器人(rov)被广泛应用于湖泊、水库、港口,从事检修、勘探等工作,由于水下环境难以预知,故rov的自主性与安全性需得到一定保证。本文针对作业型rov关键技术及其实验开展研究,主要工作与结论如下:(1)根据作业型rov特点,设计一款rov实验样机。根据设计指标制定总体方案,从外形框架、推进系统、传感器系统、作业系统、电子舱及电力舱等进行模块化设计,详细阐述各模块设计过程,并对关键部件进行强度分析与水密性检测。根据rov控制系统存在多级控制单元的特点,采用上位机、下位机、子系统的三级控制方式,基于PC机的水面监控系统构成上位机,基于PC104主板的水下控制系统构成下位机以及基于微控制器STMF103ZET6的浮力调节装置构成子系统。水池实验结果表明本文作业型rov在水下具备稳定可靠的控制性能。(2)针对rov作业过程中浮力及姿态变化的问题,本文设计一种体积小、容积调节比大的双向体积可变式浮力调节装置。为减小浮力调节装置的稳态误差,设计一种积分分离式PID控制器。针对浮力调节装置运动中力矩变化难以测量问题,设计一种实验台,实现浮力与力矩的准确测量。陆地、水池环境下,浮力调节装置静态、动态实验结果表明,该浮力调节装置能够跟踪正弦、三角波等不同形式、不同频率的期望信号,验证了本文设计的积分分离式PID控制器的有效性,并测试得到浮力调节装置跟踪截止频率为1/30Hz。(3)为研究rov水下运动的动态特性,建立运动坐标系与固定坐标系转换矩阵,以牛顿-欧拉方程推导rov的刚体动力学模型,并根据本文rov实验样机的受力、运动特点、结构特性对动力学模型进行简化。在水池实验中基于推进器动力学模型,利用最小二乘法对艏向动力学模型进行参数辨识,并通过不同形式、不同频率控制信号下的实验结果,与相同控制信号下的模型输出进行误差分析,实验结果表明,理论值与实际值之间均方差为0.1～0.2rad/s,验证本文所建立rov动力学模型的准确性。(4)针对将时域信号输入卷积神经网络(CNN)进行rov推进器故障辨识过程中,存在所需训练样本多、收敛速度慢、准确率低的问题,提出一种基于快速傅里叶变换(FFT)与CNN相结合的推进器故障辨识方法。本文首先利用FFT算法获得监测信号的频谱,然后将监测信号频谱输入CNN,输出故障级别。水池实验结果表明,基于CNN与FFT算法结合的辨识方法,相较于普通CNN直接采用时域信号作为输入,可在较少训练样本数量下获得较高的收敛速度与准确率,具备良好的故障辨识效果。

关键词：作业型rov 浮力调节模型辨识推进器故障辨识