深海作業(yè)型ROV水動力試驗及運動控制技術研究.pdf

1、海洋，孕育了各種神奇的生命，同時也是遠沒充分開發(fā)的各種資源寶庫。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，如各種先進的潛水器（載人潛水器、遙控式潛水器和水下滑翔機等）及其作業(yè)系統(tǒng)，這些先進的海洋技術裝備能夠滿足深度更大、范圍更廣、環(huán)境更復雜的海洋科考和作業(yè)使命。因此，開發(fā)我國自己的深海潛水器，對于縮短與發(fā)達國家的技術差距，并保證我國長期可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義和歷史意義。
　　 本文選題來源于國家高技術研究發(fā)展計

2、劃(863)海洋技術領域重點項目“4500米級深海作業(yè)系統(tǒng)”（批準號:2008AA092301），其目標是研制國內下潛深度最大的有纜遙控式潛水器。在課題組已有的設計資料基礎上，圍繞深海潛水器縮尺比模型的水動力試驗、潛水器動力學建模及運動穩(wěn)定性分析、運動控制器設計、推力控制分配策略、軌跡跟蹤控制設計、基于海底信息的視景仿真平臺的建立，采用試驗測量、理論分析和數(shù)字仿真平臺模擬相結合的方法進行研究和開發(fā)。
　　 所研究的4500米級深

3、海作業(yè)型ROV具有開架式結構，其在主尺度、外形、水動力參數(shù)及作業(yè)使命等方面跟潛艇、自主式潛水器等水下運載器相比，存在很大差異，因此對其水動力特性和操縱性能要求有很大不同，在研究背景和內容上，本文的研究具有很強的現(xiàn)實意義和工程價值，具有前瞻性和開拓性，能夠為該領域的深入研究奠定很好的應用基礎。本文的主要研究內容包括:
　　 1.為了深入研究ROV的運動控制技術，建造了1∶1.6的ROV縮尺比模型，通過VPMM和LAHPMM對模型進

4、行了水池拖曳試驗，采用最小二乘法對所測數(shù)據(jù)進行了分析，求出了相關的線性和非線性水動力系數(shù)，利用回歸得到的阻力系數(shù)，計算了ROV在多種運動速度模式下的實艇阻力，阻力數(shù)值為潛水器的操縱性研究、仿真系統(tǒng)設計和樣機試驗提供了可靠的數(shù)據(jù)支持和保障。
　　 2.根據(jù)水動力試驗結果，并通過合理的假設與簡化，建立了潛水器的空間五自由度非線性數(shù)學模型，根據(jù)所測得的水動力系數(shù)以及ROV的實體尺寸，對其運動穩(wěn)定性進行了分析，包括水平面、垂直面的靜穩(wěn)定

5、性和動穩(wěn)定性。
　　 3.為了克服臍帶纜對ROV運動過程中的牽扯影響，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算，通過計算結果可知，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)的運動控制算法選取以及控制器的設計帶來很大便利。
　　 4.為了解決ROV的空間運動問題，特別地針對ROV系統(tǒng)的強耦合性、不確定性、非線性等問題，根據(jù)水動力試驗建立的ROV非線性數(shù)學模型，設

6、計了具有自適應性的多變量運動控制器，并運用數(shù)學規(guī)劃思想研究了ROV的推力控制分配問題，進一步研究了ROV復雜的空間軌跡跟蹤控制問題，如無法用簡單的點、線描述軌跡，并且對ROV的姿態(tài)有所要求，設計了基于自適應Backstepping算法的ROV非線性軌跡跟蹤控制器，并通過構造李雅普諾夫方程對該控制器的穩(wěn)定性進行了證明，該控制器能夠實現(xiàn)水平面二維和空間三維的軌跡跟蹤，同時能夠抑制海流的干擾作用，具有很強的魯棒性。仿真結果表明，該控制器能夠確

7、保ROV運動系統(tǒng)在有限時間內收斂，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)境的復雜性，本文運用面向對象的可視化仿真技術，并結合數(shù)字海底信息系統(tǒng)，設計并開發(fā)了潛水器三維軌跡跟蹤控制視景仿真平臺。把面向對象技術引入到Petri網(wǎng)建模體系中，為ROV的軟件控制系統(tǒng)設計了基于面向對象Petri網(wǎng)(OOPN)的形式化建模語言，并以此為理論指導設計來實現(xiàn)潛水器的動態(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的軌跡操控平臺設計了良好的人機界面，操作員可以通過人機界面輸入各類指令，并通過快捷鍵完成仿真系統(tǒng)的實時跟蹤和管理。在Windows操作系統(tǒng)VC++6.0集成環(huán)境下，通過OpenGL圖形開發(fā)庫，搭建了該仿真平臺，并進行了初步調試，獲得了比較理想的模擬效果。
　　 本文的主要創(chuàng)新點概括如下:
　　 1.根據(jù)ROV的實際作業(yè)需求，設計了潛水器在特殊工況下的水動力試驗，并研究了其水動力特

9、性，包括定深定點轉艏運動試驗、低速域大漂角下的水平面斜拖運動試驗，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力系數(shù)，并建立了該工況下的水動力模型，為今后研究潛水器在特殊工況下的運動控制打下了基礎。
　　 2.針對潛水器系統(tǒng)存在的非線性、強耦合性以及外界干擾的不確定性等問題，設計了基于自適應Backstepping算法的多變量魯棒運動控制器，并運用Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了當系統(tǒng)存在參數(shù)不確定性和未知有

10、界外干擾時系統(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)作為一個整體來進行設計，而不是將系統(tǒng)進行解耦分別設計獨立的子控制器，這一獨特的設計能夠充分利用各個子系統(tǒng)之間的耦合作用來提高整體系統(tǒng)的性能，同時能夠保證整體系統(tǒng)的運動穩(wěn)定性。通過與積分分離的PID控制器的對比仿真研究表明，所設計的多變量非線性運動控制器具有更好的控制品質和魯棒性能。
　　 3.推進系統(tǒng)是潛水器運動控制系統(tǒng)的重要組成部分，其

11、性能直接影響潛水器作業(yè)過程中的可靠性、安全性和穩(wěn)定性，為了有效地將運動控制器解算出的期望控制量分配到各推進器上，并滿足推進系統(tǒng)的物理約束條件，本文將數(shù)學規(guī)劃中的原始對偶內點法運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題，并能夠減少計算量，同時能夠求得滿足約束條件的最優(yōu)解，使推力輸出避免了過飽和問題的產(chǎn)生。
　　 論文最后對所作的研究內容進行了總結，并提出了未來的研究工作和方向。<