[发明专利]一种作业型ROV六自由度运动控制方法

说明书

技术领域

本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，具体涉及一种过驱动作业型遥控水下机 器人(ROV—RemotelyOperatedVehicle)的作业型ROV六自由度运动控制方法。

背景技术

作业型ROV的最大特点是能在危险深海环境中完成高强度、大负荷和高精度作业，它是 我国实施深海资源开发战略不可或缺的重大技术装备之一。作业型ROV装备的核心技术之一 是设计一种具有六自由度操纵控制能力的运动控制系统，这对保证ROV水下作业能力，提高 作业效率，保证水下作业的安全性，具有重要的理论意义和工程价值。

ROV六自由度运动控制系统是开发作业型ROV装备的关键技术之一。作业型ROV运动 控制系统的设计难点主要包括以下四个方面：(1)一般水下机器人只需要控制三个(进退、纵 倾、转艏)自由度运动，而为了保证机械手的水下作业能力，作业型ROV需要同时控制六个 自由度运动(进退、横移、升沉、横倾、纵倾、转艏)。(2)作业型ROV需要控制变量的种 类很多，如：操纵手柄需要控制四个方向(进退、横移、升沉、转艏)的运动速度；速度微 调旋钮需要控制三个方向的速度(进退、横移、升沉)；同时具有自动保持航向、保持深度、 保持高程控制功能；还要具有通过软件如数控制改变ROV当前位置及姿态的能力等。(3)作 业型ROV引导律算法比较复杂，需要实现大地坐标系和本体坐标系之间ROV六自由度运动 及姿态值转换的引导律算法。目前，由于技术比较敏感，国内外很少有公开关于作业型ROV 运动控制系统设计方法的文献资料。

本发明在已知作业型ROV水动力学模型的基础上，设计一种作业型ROV六自由度运动 控制系统，能够模拟操纵手柄、速度微调旋钮、自动按钮控制、软件输入控制等功能，来实 时控制作业型ROV的六自由度运动及姿态变化。本发明最终可应用于作业型ROV仿真训练 模拟器的设计中，也可以应用于实际作业型ROV运动控制系统设计中。

发明内容

本发明目的在于提供一种作业型ROV六自由度运动控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)建立ROV水动力学模型：

建立作业型ROV在本体坐标系{b}中的六自由度的水动力学方程：

Mυ·+C(υ)υ+D(υ)υ+g(η)=τ]]>

式中：M∈(6×6)为系统惯性矩阵；C(υ)∈(6×6)为科氏向心力矩阵；D(υ)∈(6×6)为由水动力引起阻尼力矩阵；g(η)∈(6×1)为重力和浮力引起的力和力矩向量；υ∈(6×1)为ROV的速度和角速度向量；为ROV的加速度和角加速度向量；τ∈(6×1)为ROV的推力及推力矩向量；

(2)建立作业型ROV在六个自由度方向的控制力和力矩向量：

作业型ROV总共安装8台呈矢量布置的液压螺旋桨推进器，将在ROV本体坐标系{b} 中的六个方向产生控制力及力矩向量：

τ＝[X_TY_TZ_TK_TM_TN_T]^T

(3)计算本体坐标系{b}中作业型ROV的运动状态：

根据作业型ROV模型试验得到的水动力参数结果，计算出式中ROV水动力学模型中的 系数矩阵M、C(υ)、D(υ)、g(η)，将六自由度的控制力和力矩向量τ输入到ROV水动力学 模型，即可得到本体坐标系{b}中的运动状态，包括速度[uvwpqr]^T和位移 [XYZαβγ]^T；