[发明专利]一种五自由度ROV非线性运动学建模方法

说明书

本发明公开一种五自由度ROV非线性运动学建模方法，包括：建立坐标系与运动参数的表达；建立各线速度与空间姿态、角速度与姿态角在随体坐标系和惯性坐标系的转换关系；建ROV动力学模型；对ROV受力分析；建立ROV水动力模型，包括惯性水动力模型和粘性水动力模型；建立开架式ROV非线性运动方程。本发明基于矢量化的建模思想实现了开架式ROV运动学动力学数学模型的构建工作，考虑ROV几何不对称性对水动力产生的影响和水动力中非线性部分的影响，在反映不对称性和非线性项的前提下尽量简化运动学模型，且具有足够的精度以应用于开架式ROV的运动仿真。

技术领域

本发明涉及一种五自由度ROV运动学建模方法，具体为一种五自由度开架式ROV非线性运动学建模方法，属于水下机器人运动学建模技术领域。

背景技术

开架式ROV作为一种有效水下运载工具目前已经被广泛的应用于海洋作业。利用ROV作业模拟器进行实际工程前的培训，可以大大提高水下作业的工作效率，提前预报及避免风险，提高经济效益。研制ROV水下作业仿真模拟培训系统的首要工作是对ROV的运动做出正确的描述，需要建立能够反映ROV运动特性、变化规律的运动数学模型。因此，数学模型是ROV模拟器研制成败的关键，是衡量模拟器逼真度的核心指标。

外形方面，不同于AUV与潜艇等水下潜器所拥有水密的艇体结构以及较为简单、流线型的艇体外型，ROV有着更加复杂的开架式的外型结构以及相对较低的运动速度，ROV复杂的开架式的外型结构以及其上安装的各种附属设备、作业工具等都会对其水动力特性造成影响，且不同的开架式ROV的外型结构之间的差异也十分大，这就意味着开架式ROV的水动力性能研究难以被归纳总结，形成切实有效地、能精确反映艇体差异的以及保障预报精度的经验公式；此外在水动力成分方面，由于开架式ROV具有相对较低的作业航速以及更加灵活多变的操纵方式。因此，其运动过程中所受的水动力中的粘性项成分，特别是非线性项成分以及耦合项成分所占的比例也会加重。

发明内容

针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种考虑ROV几何不对称性对水动力产生的影响和水动力中非线性部分的影响且在反映不对称性和非线性项的前提下尽量简化运动学模型且具有足够的精度以应用于开架式ROV的运动仿真的五自由度ROV非线性运动学建模方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种五自由度ROV非线性运动学建模方法，包括以下步骤：

第一步：建立坐标系与运动参数的表达：

建立两种坐标系：一种是描述ROV的运动轨迹与运动姿态的惯性坐标系E-xyz，惯性坐标系固定在地球上一任意点E，Ez轴的正向指向地心，Ex轴和Ey轴在水平面内并且相互垂直，E-xyz为一个右手坐标系；另一种是描述ROV的受力状况的随体坐标系O-xyz，随体坐标系固定在ROV上一点O，Ox轴沿ROV纵向向前为正；Oy轴指向ROV右舷为正；Oz轴垂直Oxy于平面指向下为正；定义两坐标系下的运动速度矩阵，其中惯性坐标系下运动速度矩阵为随体坐标系下运动速度矩阵为[u v w p q r]^T，分别表示ROV在惯性坐标系下的纵向、横向和垂向速度，u、v、w分别表示ROV在随体坐标系下沿纵向、横向和垂向的速度，p、q、r分别代表ROV在随体坐标系下沿纵向、横向和垂向的角速度，φ表示横倾角，θ表示纵倾角，ψ表示艏摇角，表示横摇角速度，表示纵摇角速度，艏摇角速度；

第二步：建立各线速度与空间姿态、角速度与姿态角在随体坐标系和惯性坐标系的转换关系：分别建立ROV线速度与空间姿态之间，ROV角速度与姿态角之间的关系；

第三步：构建ROV动力学模型：假设ROV为刚体，几何外形不发生变化，且质量与重心都是恒定，不考虑脐带缆和其他作业工具的影响以及海底对于ROV水动力的影响，ROV的重心为随体坐标系的原点，并且认为ROV的三条坐标轴为中心惯性主轴，得到ROV动力学模型：