一種作業(yè)型rov訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無人水下機器人運動控制技術領域，尤其涉及針對過驅(qū)動作業(yè)型遙控 水下機器人（R0V-Remotely Operated Vehicle)的，一種作業(yè)型ROV訓練模擬器的運動控 制仿真系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 作業(yè)型ROV的最大特點是能在危險深海環(huán)境中完成高強度、大負荷和高精度作 業(yè)，它是我國實施深海資源開發(fā)戰(zhàn)略不可或缺的重大技術裝備之一。開發(fā)ROV仿真訓練模 擬器，可在虛擬環(huán)境中對作業(yè)人員進行崗位培訓，并對水下作業(yè)進行預演，提高作業(yè)效率及 安全性，具有重要的工程價值。
[0003] ROV六自由度運動控制系統(tǒng)是開發(fā)作業(yè)型ROV仿真訓練模擬器的關鍵技術之一。 作業(yè)型ROV仿真訓練器控制系統(tǒng)的設計難點主要包括以下五個方面：（1) 一般水下機器人 只需要控制三個（前進/后退、縱搖、轉(zhuǎn)艏）或四個（前進/后退、縱搖、升/沉、轉(zhuǎn)艏）自 由度運動，而作業(yè)型ROV需要同時控制六個自由度運動。（2)作業(yè)型ROV水動力模型存在較 大的非線性耦合特性。（3)作業(yè)型ROV工作環(huán)境存在著多種較復雜的未知干擾，如海底流場 干擾、長臍帶纜的不確定性干擾力、機械手作業(yè)干擾力等。（4)作業(yè)型ROV通常是過驅(qū)動型 的，即所安裝推進器的個數(shù)大于其所要控制的自由度數(shù)。本發(fā)明所研究的ROV安裝八個液 壓推進器（其中四個垂直推進器，四個水平推進器），且成矢量布置型式，實現(xiàn)ROV六自由度 運動控制需要八個推進器同時起作用，這屬于典型的過驅(qū)動推力分配問題。（5)作業(yè)型ROV 的推進器屬于液壓控制螺旋槳推進器，控制指令的執(zhí)行存在較大的滯后特性，如何實現(xiàn)ROV 在液壓推進器的作用下的實時動態(tài)仿真控制存在著一定的困難。目前，由于技術比較敏感， 國內(nèi)外公開資料很少有公開關于作業(yè)型ROV運動控制仿真系統(tǒng)設計的相關文獻資料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構簡單、使用方便的，作業(yè)型ROV訓練模擬器的運動 控制仿真系統(tǒng)。
[0005] -種作業(yè)型ROV訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)，包括ROV本體水動力學系統(tǒng)模 型、海底流場干擾速度模型、機械手作業(yè)干擾力與力矩模型、臍帶纜干擾力與力矩模型、ROV 六自由度PID控制器模塊、過驅(qū)動推力分配模塊、液壓螺旋槳推進器仿真控制模塊、8個推 進器推力合成6個自由度的推力與力矩模塊、6個自由度的推力與力矩和外部干擾力與力 矩合成模塊、ROV自動控制功能模塊和四自由度ROV操縱手柄模塊，
[0006] ROV本體水動力學系統(tǒng)模型接收海底流場干擾速度模型輸出的干擾速度，并輸出 六自由度運動狀態(tài)，包括位移、角度、速度、角速度、加速度和角加速度信息；
[0007] ROV六自由度PID控制器模塊實時采集六自由度運動狀態(tài)，并接收ROV自動控制功 能模塊和四自由度ROV操縱手柄模塊輸出的控制指令，經(jīng)過六個方向的PID控制器的控制， 實時輸出六自由度的期望推力與推力矩給過驅(qū)動推力分配模塊；
[0008] 過驅(qū)動推力分配模塊根據(jù)接收的信息，采用推力分配偽逆算法，實時輸出四個水 平推進器和四個垂直推進器的期望推力給液壓螺旋槳推進器仿真控制模塊；
[0009] 液壓螺旋槳推進器仿真控制模塊根據(jù)接收到的信息，輸出八個推進器的實際推力 和轉(zhuǎn)速，
[0010] 將推進器實際推力和轉(zhuǎn)速輸入到8個推進器推力合成6個自由度的推力與力矩模 塊，得到六個自由度的實際推力與推力矩，傳送給6個自由度的推力/力矩和外部干擾力與 力矩合成模塊；
[0011] 6個自由度的推力與力矩和外部干擾力與力矩合成模塊還接收臍帶纜干擾力與力 矩模型輸出的臍帶纜干擾力和機械手作業(yè)干擾力與力矩模型輸出的機械手作業(yè)干擾力，將 接收的實際推力與推力矩與臍帶纜干擾力和機械手作業(yè)干擾力進行合成計算，得到作用到 ROV本體上的推力與推力矩傳送給ROV本體水動力學系統(tǒng)模型。
[0012] 本發(fā)明一種作業(yè)型ROV訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)，還包括：
[0013] 1、四自由度ROV操縱手柄模塊輸出控制指令為ROV四個自由度的運動，包括前進 或后退、左移或右移、上浮或下沉和左或右轉(zhuǎn)艏運動；ROV自動控制功能模塊輸出的控制指 令為自動保持航向、自動保持高程、自動保持深度和動力定位功能；
[0014] ROV六自由度PID控制器模塊還包括邏輯判斷模塊，邏輯判斷模塊根據(jù)ROV自動控 制功能模塊和四自由度ROV操縱手柄模塊的控制指令預先設置優(yōu)先級，六個方向的PID控 制器根據(jù)當前接收的控制指令和預先設置的優(yōu)先級進行控制響應。
[0015] 2、液壓螺旋槳推進器仿真控制模塊包括放大器、液壓馬達排量模塊、螺旋槳動力 學方程模塊，放大器接收四個水平推進器和四個垂直推進器的期望推力，轉(zhuǎn)換成期望的液 壓馬達兩端油液壓力，輸出給液壓馬達排量模塊，轉(zhuǎn)化為液壓馬達的扭矩輸出給螺旋槳動 力學方程模塊，輸出八個推進器的實際推力和轉(zhuǎn)速。
[0016] 有益效果：
[0017] 本發(fā)明在已知作業(yè)型ROV水動力學模型的基礎上，設計一種ROV六自由度運動控 制仿真系統(tǒng)，能夠模擬操縱手柄和自動控制按鈕的功能，來實時控制作業(yè)型ROV的六自由 度運動，同時模擬液壓螺旋槳推進器的動態(tài)控制過程，模擬海流流場干擾、臍帶纜干擾力和 機械手作業(yè)力對ROV運動的影響。本發(fā)明最終應用于作業(yè)型ROV仿真訓練模擬器的設計 中。、
[0018] 本發(fā)明所設計的ROV訓練模擬器運動控制系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、層次清晰、使用方 便，可以比較真實的描述作業(yè)型ROV的內(nèi)部控制體系結(jié)構組成，具有能夠準確的模擬實際 作業(yè)型ROV水下運動控制功能及過程的特點，還具有能夠逼真的輸出作業(yè)型ROV的各種運 動及控制參數(shù)變化過程的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0019] 圖I ROV訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)組成原理示意圖；
[0020] 圖2閥控液壓螺旋槳推進器的仿真框圖；
[0021] 圖3 ROV訓練模擬系統(tǒng)的六自由度PID控制器組成邏輯框圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0023] 本發(fā)明目的在于提供一種可應用于作業(yè)型ROV仿真訓練模擬器的運動控制系統(tǒng)。 本發(fā)明包括：ROV本體水動力學系統(tǒng)模型、海底流場干擾速度模型、機械手作業(yè)干擾力/力 矩模型、臍帶纜干擾力/力矩模型、ROV六自由度PID控制器模塊、過驅(qū)動推力分配模塊、液 壓螺旋槳推進器仿真控制模塊、8個推進器推力合成6個自由度的推力/力矩模塊、6個自 由度的推力/力矩和外部干擾力/力矩合成模塊、ROV自動控制功能模塊和四自由度ROV 操縱手柄模塊。本發(fā)明可模擬在不同海底流場速度和機械手作業(yè)干擾力條件，實時模擬四 自由度運動操縱手柄來控制作業(yè)型ROV的縱向、橫向、垂向、偏航運動，實時模擬ROV六自由 度PID控制器的輸出的期望推力或推力矩的動態(tài)變化過程，還可實時模擬ROV的八個液壓 螺旋槳推進器的實際輸出推力、轉(zhuǎn)速動態(tài)變化過程。本發(fā)明中的作業(yè)型ROV運動控制仿真 系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、使用方便，可以比較真實的描述作業(yè)型R 0V的內(nèi)部控制體系結(jié)構組成， 可以逼真模擬作業(yè)型ROV六個自由度運動狀態(tài)、六個自由度的控制力/力矩、螺旋槳推進器 推力/轉(zhuǎn)速動態(tài)變化過程等優(yōu)點。
[0024] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：如圖1所示，作業(yè)型ROV本體水動力學模型輸出六 個自由度運動狀態(tài)，如：位移/角度、速度/角速度、加速度/角加速度信息。ROV六自由度 PID控制器實時采集水下機器人六自由度的運動狀態(tài)，并根據(jù)控制指令，如：ROV操縱手柄 命令、自動保持航向、自動保持高程、自動保持深度和DP命令，經(jīng)過六個方向的PID控制器， 來實時輸出六個自由度