一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法
2023-10-23 17:12:37
一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法
【專利摘要】本發明涉及深海作業型ROV【技術領域】，具體地說是一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法。本發明包括：建立定坐標系、隨體坐標系和推進器坐標系，估計六自由度坐標轉換矩陣；估計作業型水下機器人質量矩陣以及引起的柯氏力和向心力矩陣；估計作業型ROV所受水動力；估計作業型ROV所受靜力；估計作業型ROV推力；估計未知幹擾項；確定作業型ROV最終的動力學和運動學模型。本發明利用動力學、流體力學和潛艇操縱性等理論進行深海作業型ROV的動力學和運動學建模，針對水下潛器複雜的數學模型，利用對稱理論和小量忽略的方法對深海作業型ROV的數學模型進行簡化，所建立的模型可以更精確的估計ROV受力情況。
【專利說明】一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深海作業型ROV【技術領域】，具體地說是一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法。
【背景技術】
[0002]ROV的動力學和運動學模型體現了 ROV的運動規律，是水下機器人對於環境和系統信息的一種量化表不，對於水下機器人感知層體系結構中的信息處理技術、環境感知以及指令理解都是重要的參考。研究潛水器在水中受到各種力矩以及力影響下的運動規律，從而建立潛水器的運動方程，是研究其控制系統的基礎。但是，如果模型過於複雜，則會導致控制系統很複雜，甚至不能實現；如果模型過於簡單，就不能真實反映系統的運動，導致控制性能下降。因此，建立水下機器人空間動力學方程，並適當簡化，對於研究水下機器人的控制來說十分重要。
[0003]ROV數學模型包括動力學模型和運動學模型，是基於動力學、流體力學和潛艇操縱性等理論建立起來的多變量微分方程組。
[0004]1967年美國泰勒海軍艦船研究和發展中心(DTNSRDC)發表的《用於潛艇模擬研究的標準運動方程》及1979年修正的潛艇標準運動方程，已經廣泛應用於水下潛器建模等方面。但是，方程中含有上百個水動力係數，要獲得全部的水動力係數是非常困難的，這就需要對方程進行合理的簡化。
[0005]作業型ROV普遍使用大功率液壓推進系統，液壓推進系統作為執行器，其模型的精確程度對最終的控制性能有著直接的影響。實際工程中，推進器的安裝角度、位置以及推進器的推力矢量都存在著誤差。而在絕大多數水下運載器建模方法的研究中，均忽略了推進系統的安裝誤差以及推力矢量誤差，只是將推進系統推力以及力矩作為理想的固定常數處理，這樣的處理方式會對ROV的操縱性能以及穩定性控制等都會產生影響。
【發明內容】
[0006]本發明目的在於提供一種用於實現深海作業型ROV動力學和運動學建模，更適用於深海作業型ROV深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法。
[0007]本發明的目的是這樣實現的:
[0008](I)建立定坐標系、隨體坐標系和推進器坐標系，估計六自由度坐標轉換矩陣；
[0009](2)估計作業型水下機器人質量矩陣以及引起的柯氏力和向心力矩陣；
[0010](3)估計作業型ROV所受水動力；
[0011](4)估計作業型ROV所受靜力；
[0012](5)估計作業型ROV推力；
[0013](6)估計未知幹擾項；
[0014](7)確定作業型ROV最終的動力學和運動學模型。
[0015]所述步驟(I)包括:[0016](I)建立定坐標系:原點E確定在一定點，Εξ軸位於水平面，並以水下機器人主航向為正向；E η軸位於E ξ軸所在的水平面，按右手法則將E ξ軸順時針旋轉90°，即E ζ軸垂直於IE η坐標平面，指向地心為正；
[0017](2)建立隨體坐標系:縱軸OX平行於潛水器主體基線，指向艏部為正；橫軸OY平行於基線面，指向右舷為正；垂軸OZ位於潛水器主體中縱剖面內，指向底部為正；
[0018](3)建立推進器坐標系:設定推進器中心的具體位置，作為推進器坐標系的原點，推進器坐標系的縱軸OiXi與隨動坐標系的縱軸正方向成角度α，根據右手定則OiZi的方向向下，OiYi垂直於XiOiZi面；
[0019](4)計算六自由度坐標轉換矩陣:
【權利要求】
1.一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於: (1)建立定坐標系、隨體坐標系和推進器坐標系，估計六自由度坐標轉換矩陣； (2)估計作業型水下機器人質量矩陣以及引起的柯氏力和向心力矩陣； (3)估計作業型ROV所受水動力； (4)估計作業型ROV所受靜力； (5)估計作業型ROV推力； (6)估計未知幹擾項； (7)確定作業型ROV最終的動力學和運動學模型。
2.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述步驟(1)包括: (1)建立定坐標系:原點E確定在一定點，Εξ軸位於水平面，並以水下機器人主航向為正向；E η軸位於E ξ軸所在的水平面，按右手法則將E ξ軸順時針旋轉90°，即E ζ軸垂直於ξΕη坐標平面，指向地心為正； (2)建立隨體坐標系:縱軸OX平行於潛水器主體基線，指向艏部為正；橫軸OY平行於基線面，指向右舷為正；垂軸OZ位於潛水器主體中縱剖面內，指向底部為正； (3)建立推進器坐標系:設定推進器中心的具體位置，作為推進器坐標系的原點，推進器坐標系的縱軸OiXi與隨動坐標系的縱軸正方向成角度α，根據右手定則OiZi的方向向下，OiYi垂直於XiOiZi面； (4)計算六自由度坐標轉換矩陣:
3.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述步驟(2)包括: (O計算作業型水下機器人的質量矩陣:
4.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述步驟(3)包括: (O計算慣性類水動力係數矩陣以及流體慣性力引起的柯氏力和向心力矩陣:
5.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述步驟(4)包括:計算作業型水下機器人所受重力W=mg;計算作業型ROV所受浮力# = ,，P為海水密度，g為重力加速度，▽為ROV排水體積,則靜力模型為:
6.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述的步驟(5)包括: (O計算隨動坐標繫到第i個推進器坐標系的包含誤差項的坐標轉換矩陣Π:,:
7.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述步驟(6):深海作業型ROV所受外界的未知幹擾項包括海流的影響、光纜的拖拽力和作業機械手的反衝力，用有界的六自由度力/力矩Λ f表示。
8.根據權利要求1所述的一種深海作業型水下機器人的動力學和運動學估計方法，其特徵在於，所述步驟(7)作業型ROV最終的動力學和運動學模型為:
【文檔編號】G06F17/50GK103942383SQ201410153093
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2014年4月17日
【發明者】魏延輝, 周衛祥, 曾建輝, 杜振振, 何爽, 劉鑫, 王澤鵬, 韓寒, 胡佳興, 賈獻強 申請人:哈爾濱工程大學