[发明专利]一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统

摘要

本发明公开了一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统。包括ROV本体水动力学系统模型、海底流场干扰速度模型、机械手作业干扰力与力矩模型、脐带缆干扰力与力矩模型、ROV六自由度PID控制器模块、过驱动推力分配模块、液压螺旋桨推进器仿真控制模块、8个推进器推力合成6个自由度的推力与力矩模块、6个自由度的推力与力矩和外部干扰力与力矩合成模块、ROV自动控制功能模块和四自由度ROV操纵手柄模块。本发明具有结构简单、层次清晰，可以真实的描述作业型ROV的内部控制体系结构组成，能够准确的模拟实际作业型ROV水下运动控制功能及过程，还具有能够逼真的输出作业型ROV的各种运动及控制参数变化过程的优点。

主权项

1.一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统，其特征在于：包括ROV本体水动力学系统模型、海底流场干扰速度模型、机械手作业干扰力与力矩模型、脐带缆干扰力与力矩模型、ROV六自由度PID控制器模块、过驱动推力分配模块、液压螺旋桨推进器仿真控制模块、8个推进器推力合成6个自由度的推力与力矩模块、6个自由度的推力与力矩和外部干扰力与力矩合成模块、ROV自动控制功能模块和四自由度ROV操纵手柄模块，ROV本体水动力学系统模型接收海底流场干扰速度模型输出的干扰速度，并输出六自由度运动状态，包括位移、角度、速度、角速度、加速度和角加速度信息；ROV六自由度PID控制器模块实时采集六自由度运动状态，并接收ROV自动控制功能模块和四自由度ROV操纵手柄模块输出的控制指令，经过六个方向的PID控制器的控制，实时输出六自由度的期望推力与推力矩给过驱动推力分配模块；过驱动推力分配模块根据接收的信息，采用推力分配伪逆算法，实时输出四个水平推进器和四个垂直推进器的期望推力给液压螺旋桨推进器仿真控制模块；液压螺旋桨推进器仿真控制模块根据接收到的信息，输出八个推进器的实际推力和转速，将推进器实际推力和转速输入到8个推进器推力合成6个自由度的推力与力矩模块，得到六个自由度的实际推力与推力矩，传送给6个自由度的推力/力矩和外部干扰力与力矩合成模块；6个自由度的推力与力矩和外部干扰力与力矩合成模块还接收脐带缆干扰力与力矩模型输出的脐带缆干扰力和机械手作业干扰力与力矩模型输出的机械手作业干扰力，将接收的实际推力与推力矩与脐带缆干扰力和机械手作业干扰力进行合成计算，得到作用到ROV本体上的推力与推力矩传送给ROV本体水动力学系统模型；所述的四自由度ROV操纵手柄模块输出控制指令为ROV四个自由度的运动，包括前进或后退、左移或右移、上浮或下沉和左或右转艏运动；ROV自动控制功能模块输出的控制指令为自动保持航向、自动保持高程、自动保持深度和动力定位功能；ROV六自由度PID控制器模块还包括逻辑判断模块，逻辑判断模块根据ROV自动控制功能模块和四自由度ROV操纵手柄模块的控制指令预先设置优先级，六个方向的PID控制器根据当前接收的控制指令和预先设置的优先级进行控制响应；所述的液压螺旋桨推进器仿真控制模块包括放大器、液压马达排量模块、螺旋桨动力学方程模块，放大器接收四个水平推进器和四个垂直推进器的期望推力，转换成期望的液压马达两端油液压力，输出给液压马达排量模块，转化为液压马达的扭矩输出给螺旋桨动力学方程模块，输出八个推进器的实际推力和转速；ROV控制器输出的期望推力/推力矩和八个推进器期望推力之间的关系如下式所示：式中，为控制器输出期望纵向推力；为控制器输出期望横向推力；为控制器输出期望垂向推力；为控制器输出期望纵倾力矩；为控制器输出期望横倾力矩；为控制器输出期望偏航力矩；τ_i为第i个推进器的期望推力；B(β)为推进器的矢量布置矩阵，表示为：式中，β1‑β4为τ1、τ2、τ3、τ4推进器与本体坐标系OX轴的夹角；β5‑β8为τ5、τ6、τ7、τ8推进器与本体坐标系OZ轴的夹角；xh、yh、zh分别为四个水平推进器τ1、τ2、τ3、τ4距离ROV本体坐标系的OX、OY、OZ轴的距离；xv、yv、zv为四个垂直推进器τ5、τ6、τ7、τ8距离ROV本体坐标系的OX、OY、OZ轴的距离；符号c为余弦函数cos(·)；符号s为正弦函数sin(·)；八个推进器的期望推力按照下式计算：最终作用于ROV本体上的合力/合力矩可按照下式计算：式中：分别为八个推进器实际输出的推力合成六个自由度的推力/推力矩；分别为机械手作业时的六个自由度的力/力矩；分别为ROV作业时脐带缆的六个自由度的力/力矩；T_X、T_Y、T_Z、T_K、T_M、T_N分别为作用于ROV本体上的六个自由度的合力/合力矩；八个推进器的液压控制环节的放大倍数按照下式计算：式中：pL为液压马达油液两端的压力差；Ti为第i个推进器的期望推力；Ki为第i个推进器所对应的放大倍数；液压马达的输出力矩按下式计算：Tg＝DMpL  (6)式中：Tg为液压马达的输出扭矩，即驱动力矩；DM为液压马达的排量；液压马达和负载力矩的平衡方程为：式中:Tg为液压马达产生的驱动力矩；BM为负载和液压马达的粘性阻尼系数；G为负载的扭转弹簧刚度,对于液压推进器来说，负载的扭转弹簧刚度为零；J为液压马达和负载的总惯性量；TL为作用在液压马达的任意外负载力矩，对于液压推进器来说，外负载力矩为螺旋桨的扭矩，即TL＝Q；螺旋桨扭矩用下式计算：Q＝KQρn2D5  (8)式中：Q为螺旋桨的扭矩；KQ为螺旋桨转矩系数；ρ为水的密度；n为螺旋桨的转速；D为螺旋桨的直径；螺旋桨推力用下式计算：T＝KTρn2D4  (9)式中：KT为螺旋桨推力系数。