量布置矩陣，可以表示為：
[0040] 式中，β ;--第i ( τ i、τ 2、τ 3、τ 4)個推進器與本體坐標系OX軸的夾角；β i-- 第i ( τ 5、τ 6、τ 7、τ s)個推進器與本體坐標系OZ軸的夾角；xh、yh、zh--分別為四個水平 推進器（τ η τ 2、τ 3、τ 4)距離ROV本體坐標系的OX、0Y、OZ軸的距離；xv、yv、Z v--分別 為四個垂直推進器（τ 5、τ 6、τ 7、τ s)距離ROV本體坐標系的OX、0Y、OZ軸的距離；符號 c--余弦函數(shù)cos ( ·);符號s--正弦函數(shù)sin ( ·)。
[0041] 八個推進器的期望推力可按照下式計算：
[0043] 最終作用于ROV本體上的合力/合力矩可按照下式計算：
[0045] 式中：
一一分別為八個推進器實際輸出的推力合 成六個自由度的推力/推力矩；
一一分別為機械手作業(yè)時的 六個自由度的力/力矩；
--分別為ROV作業(yè)時臍帶纜的六個 自由度的力/力矩；Tx、TY、Tz、TK、T M、Tn-一分別為作用于ROV本體上的六個自由度的合力 /合力矩；
[0046] 八個推進器的液壓控制環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)可按照下式計算：
[0048] 式中：Pl-一液壓馬達油液兩端的壓力差J1 一一第i個推進器的期望推力； K1一一第i個推進器所對應(yīng)的放大倍數(shù)。
[0049] 液壓馬達的輸出力矩可按下式計算：
[0051] 式中：Tg--液壓馬達的輸出扭矩，即驅(qū)動力矩；Dm--液壓馬達的排量。
[0052] 液壓馬達和負載力矩的平衡方程為：
[0054] 式中：Tg-一液壓馬達產(chǎn)生的驅(qū)動力矩；Bm-一負載和液壓馬達的粘性阻尼系數(shù)； G一一負載的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度，對于液壓推進器來說，負載的扭轉(zhuǎn)彈簧剛度為零；J一一液壓 馬達和負載的總慣性量；?Υ-一作用在液壓馬達的任意外負載力矩，對于液壓推進器來說， 可以認為外負載力矩為螺旋槳的扭矩，即IY= Q。
[0055] 螺旋槳扭矩可用下式計算：
[0057] 式中：Q-一螺旋槳的扭矩；KQ-一螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)；P -一水的密度；η-一螺旋 槳的轉(zhuǎn)速；D-一螺旋槳的直徑；
[0058] 螺旋槳推力可用下式計算：
[0060] 式中：Kt--螺旋槳推力系數(shù)。
[0061] 本發(fā)明屬于無人水下機器人運動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種過驅(qū)動作業(yè)型遙控 水下機器人（R0V -Remotely Operated Vehicle)訓練模擬器的六自由度運動仿真控制系 統(tǒng)設(shè)計方法，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、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 縱手柄模塊等。本發(fā)明可實現(xiàn)以下功能：可實時模擬通過操縱手柄或自動控制功能按鈕來 控制作業(yè)型ROV六自由度的運動；實時模擬六自由度控制器的期望推力/推力矩的動態(tài)變 化過程；實時模擬過驅(qū)動推力分配算法功能，將六個方向的期望推力/推力矩按照一定優(yōu) 化分配方法分解成八個推進器的期望推力；通過引入液壓螺旋槳推進器仿真控制模塊，實 時模擬液壓控制推進器的扭矩、推力、轉(zhuǎn)速的動態(tài)變化過程；實時模擬機械手作業(yè)干擾力、 臍帶纜干擾力對ROV運動控制性能的影響；實時模擬海流速度干擾對ROV運動控制性能的 影響。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(gòu)簡單、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(gòu)組成，可以逼真模擬作業(yè)型ROV六自由度運動及控制 參數(shù)的動態(tài)變化過程等優(yōu)點。
【主權(quán)項】
1. 一種作業(yè)型ROV訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)，其特征在于：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、R0V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、R0V自動控制功能模塊和四自由度R0V操縱手柄模塊，R0V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； R0V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R0V自動控制功能模 塊和四自由度R0V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； 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； 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，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； 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R0V 本體上的推力與推力矩傳送給R0V本體水動力學系統(tǒng)模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作業(yè)型R0V訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)，其特征在 于：所述的四自由度R0V操縱手柄模塊輸出控制指令為R0V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；R0V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； R0V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)R0V自動控制功 能模塊和四自由度R0V操縱手柄模塊的控制指令預(yù)先設(shè)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(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級進行控制響應(yīng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種作業(yè)型R0V訓練模擬器的運動控制仿真系統(tǒng)，其特征在 于：所述的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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種作業(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。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、層次清晰，可以真實的描述作業(yè)型ROV的內(nèi)部控制體系結(jié)構(gòu)組成，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，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。
【IPC分類】G05B17/02
【公開號】CN105319987
【申請?zhí)枴緾N201510756848
【發(fā)明人】李新飛, 袁利毫, 韓端鋒, 祝海濤, 姜邁, 宋磊
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2016年2月10日
【申請日】2015年11月9日