深海作業(yè)型ROV水動(dòng)力試驗(yàn)及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究.pdf

1、海洋，孕育了各種神奇的生命，同時(shí)也是遠(yuǎn)沒充分開發(fā)的各種資源寶庫(kù)。而深海資源的勘探、開發(fā)、利用需要借助高科技的深海裝備，如各種先進(jìn)的潛水器（載人潛水器、遙控式潛水器和水下滑翔機(jī)等）及其作業(yè)系統(tǒng)，這些先進(jìn)的海洋技術(shù)裝備能夠滿足深度更大、范圍更廣、環(huán)境更復(fù)雜的海洋科考和作業(yè)使命。因此，開發(fā)我國(guó)自己的深海潛水器，對(duì)于縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距，并保證我國(guó)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和歷史意義。
　　 本文選題來(lái)源于國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)

2、劃(863)海洋技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)項(xiàng)目“4500米級(jí)深海作業(yè)系統(tǒng)”（批準(zhǔn)號(hào):2008AA092301），其目標(biāo)是研制國(guó)內(nèi)下潛深度最大的有纜遙控式潛水器。在課題組已有的設(shè)計(jì)資料基礎(chǔ)上，圍繞深海潛水器縮尺比模型的水動(dòng)力試驗(yàn)、潛水器動(dòng)力學(xué)建模及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析、運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)、推力控制分配策略、軌跡跟蹤控制設(shè)計(jì)、基于海底信息的視景仿真平臺(tái)的建立，采用試驗(yàn)測(cè)量、理論分析和數(shù)字仿真平臺(tái)模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究和開發(fā)。
　　 所研究的4500米級(jí)深

3、海作業(yè)型ROV具有開架式結(jié)構(gòu)，其在主尺度、外形、水動(dòng)力參數(shù)及作業(yè)使命等方面跟潛艇、自主式潛水器等水下運(yùn)載器相比，存在很大差異，因此對(duì)其水動(dòng)力特性和操縱性能要求有很大不同，在研究背景和內(nèi)容上，本文的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和工程價(jià)值，具有前瞻性和開拓性，能夠?yàn)樵擃I(lǐng)域的深入研究奠定很好的應(yīng)用基礎(chǔ)。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　 1.為了深入研究ROV的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，建造了1∶1.6的ROV縮尺比模型，通過(guò)VPMM和LAHPMM對(duì)模型進(jìn)

4、行了水池拖曳試驗(yàn)，采用最小二乘法對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，求出了相關(guān)的線性和非線性水動(dòng)力系數(shù)，利用回歸得到的阻力系數(shù)，計(jì)算了ROV在多種運(yùn)動(dòng)速度模式下的實(shí)艇阻力，阻力數(shù)值為潛水器的操縱性研究、仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和樣機(jī)試驗(yàn)提供了可靠的數(shù)據(jù)支持和保障。
　　 2.根據(jù)水動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果，并通過(guò)合理的假設(shè)與簡(jiǎn)化，建立了潛水器的空間五自由度非線性數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所測(cè)得的水動(dòng)力系數(shù)以及ROV的實(shí)體尺寸，對(duì)其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，包括水平面、垂直面的靜穩(wěn)定

5、性和動(dòng)穩(wěn)定性。
　　 3.為了克服臍帶纜對(duì)ROV運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的牽扯影響，本文初步探討了ROV浮子作業(yè)模式，并給出了浮子作業(yè)模式下臍帶纜近ROV端的纜線力分析與計(jì)算，通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，ROV受到的臍帶纜干擾力的影響已不是很明顯，這將為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)控制算法選取以及控制器的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大便利。
　　 4.為了解決ROV的空間運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，特別地針對(duì)ROV系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性、不確定性、非線性等問(wèn)題，根據(jù)水動(dòng)力試驗(yàn)建立的ROV非線性數(shù)學(xué)模型，設(shè)

6、計(jì)了具有自適應(yīng)性的多變量運(yùn)動(dòng)控制器，并運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃思想研究了ROV的推力控制分配問(wèn)題，進(jìn)一步研究了ROV復(fù)雜的空間軌跡跟蹤控制問(wèn)題，如無(wú)法用簡(jiǎn)單的點(diǎn)、線描述軌跡，并且對(duì)ROV的姿態(tài)有所要求，設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)Backstepping算法的ROV非線性軌跡跟蹤控制器，并通過(guò)構(gòu)造李雅普諾夫方程對(duì)該控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行了證明，該控制器能夠?qū)崿F(xiàn)水平面二維和空間三維的軌跡跟蹤，同時(shí)能夠抑制海流的干擾作用，具有很強(qiáng)的魯棒性。仿真結(jié)果表明，該控制器能夠確

7、保ROV運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)收斂，跟蹤性能良好，能夠滿足潛水器精確軌跡跟蹤控制作業(yè)的需要。
　　 5.由于潛水器的高研發(fā)成本和海洋環(huán)境的復(fù)雜性，本文運(yùn)用面向?qū)ο蟮目梢暬抡婕夹g(shù)，并結(jié)合數(shù)字海底信息系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了潛水器三維軌跡跟蹤控制視景仿真平臺(tái)。把面向?qū)ο蠹夹g(shù)引入到Petri網(wǎng)建模體系中，為ROV的軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于面向?qū)ο驪etri網(wǎng)(OOPN)的形式化建模語(yǔ)言，并以此為理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)潛水器的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)軟件。從操

8、作員的使用角度和程序員的開發(fā)角度，為ROV的軌跡操控平臺(tái)設(shè)計(jì)了良好的人機(jī)界面，操作員可以通過(guò)人機(jī)界面輸入各類指令，并通過(guò)快捷鍵完成仿真系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤和管理。在Windows操作系統(tǒng)VC++6.0集成環(huán)境下，通過(guò)OpenGL圖形開發(fā)庫(kù)，搭建了該仿真平臺(tái)，并進(jìn)行了初步調(diào)試，獲得了比較理想的模擬效果。
　　 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)概括如下:
　　 1.根據(jù)ROV的實(shí)際作業(yè)需求，設(shè)計(jì)了潛水器在特殊工況下的水動(dòng)力試驗(yàn)，并研究了其水動(dòng)力特

9、性，包括定深定點(diǎn)轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)、低速域大漂角下的水平面斜拖運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，借助多元線性回歸方法求得了潛水器在低速域大漂角工況下的高階水動(dòng)力系數(shù)，并建立了該工況下的水動(dòng)力模型，為今后研究潛水器在特殊工況下的運(yùn)動(dòng)控制打下了基礎(chǔ)。
　　 2.針對(duì)潛水器系統(tǒng)存在的非線性、強(qiáng)耦合性以及外界干擾的不確定性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于自適應(yīng)Backstepping算法的多變量魯棒運(yùn)動(dòng)控制器，并運(yùn)用Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了當(dāng)系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性和未知有

10、界外干擾時(shí)系統(tǒng)仍然具有局部漸近穩(wěn)定性，以及跟蹤誤差的局部漸近收斂性。該控制器把潛水器控制系統(tǒng)作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不是將系統(tǒng)進(jìn)行解耦分別設(shè)計(jì)獨(dú)立的子控制器，這一獨(dú)特的設(shè)計(jì)能夠充分利用各個(gè)子系統(tǒng)之間的耦合作用來(lái)提高整體系統(tǒng)的性能，同時(shí)能夠保證整體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。通過(guò)與積分分離的PID控制器的對(duì)比仿真研究表明，所設(shè)計(jì)的多變量非線性運(yùn)動(dòng)控制器具有更好的控制品質(zhì)和魯棒性能。
　　 3.推進(jìn)系統(tǒng)是潛水器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其

11、性能直接影響潛水器作業(yè)過(guò)程中的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，為了有效地將運(yùn)動(dòng)控制器解算出的期望控制量分配到各推進(jìn)器上，并滿足推進(jìn)系統(tǒng)的物理約束條件，本文將數(shù)學(xué)規(guī)劃中的原始對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法運(yùn)用到潛水器的推力控制分配中，并給出了全局收斂性的證明，該方法克服了求控制分配矩陣偽逆解的問(wèn)題，并能夠減少計(jì)算量，同時(shí)能夠求得滿足約束條件的最優(yōu)解，使推力輸出避免了過(guò)飽和問(wèn)題的產(chǎn)生。
　　 論文最后對(duì)所作的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并提出了未來(lái)的研究工作和方向。<