一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统

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一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于无人水下机器人运动控制技术领域，尤其涉及针对过驱动作业型遥控水下机器人(ROV—Remotely Operated Vehicle)的，一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统。\n背景技术\n[0002] 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。开发ROV仿真训练模拟器，可在虚拟环境中对作业人员进行岗位培训，并对水下作业进行预演，提高作业效率及安全性，具有重要的工程价值。\n[0003] ROV六自由度运动控制系统是开发作业型ROV仿真训练模拟器的关键技术之一。作业型ROV仿真训练器控制系统的设计难点主要包括以下五个方面：(1)一般水下机器人只需要控制三个(前进/后退、纵摇、转艏)或四个(前进/后退、纵摇、升/沉、转艏)自由度运动，而作业型ROV需要同时控制六个自由度运动。(2)作业型ROV水动力模型存在较大的非线性耦合特性。(3)作业型ROV工作环境存在着多种较复杂的未知干扰，如海底流场干扰、长脐带缆的不确定性干扰力、机械手作业干扰力等。(4)作业型ROV通常是过驱动型的，即所安装推进器的个数大于其所要控制的自由度数。本发明所研究的ROV安装八个液压推进器(其中四个垂直推进器，四个水平推进器)，且成矢量布置型式，实现ROV六自由度运动控制需要八个推进器同时起作用，这属于典型的过驱动推力分配问题。(5)作业型ROV的推进器属于液压控制螺旋桨推进器，控制指令的执行存在较大的滞后特性，如何实现ROV在液压推进器的作用下的实时动态仿真控制存在着一定的困难。目前，由于技术比较敏感，国内外公开资料很少有公开关于作业型ROV运动控制仿真系统设计的相关文献资料。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的是提供一种结构简单、使用方便的，作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统。\n[0005] 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，\n[0006] 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；\n[0007] 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；\n[0008] 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；\n[0009] 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，\n[0010] 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；\n[0011] 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。\n[0012] 本发明一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统，还包括：\n[0013] 1、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；\n[0014] 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。\n[0015] 2、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。\n[0016] 有益效果：\n[0017] 本发明在已知作业型ROV水动力学模型的基础上，设计一种ROV六自由度运动控制仿真系统，能够模拟操纵手柄和自动控制按钮的功能，来实时控制作业型ROV的六自由度运动，同时模拟液压螺旋桨推进器的动态控制过程，模拟海流流场干扰、脐带缆干扰力和机械手作业力对ROV运动的影响。本发明最终应用于作业型ROV仿真训练模拟器的设计中。、[0018] 本发明所设计的ROV训练模拟器运动控制系统具有结构简单、层次清晰、使用方便，可以比较真实的描述作业型ROV的内部控制体系结构组成，具有能够准确的模拟实际作业型ROV水下运动控制功能及过程的特点，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。\n附图说明\n[0019] 图1 ROV训练模拟器的运动控制仿真系统组成原理示意图；\n[0020] 图2阀控液压螺旋桨推进器的仿真框图；\n[0021] 图3 ROV训练模拟系统的六自由度PID控制器组成逻辑框图。\n具体实施方式\n[0022] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。\n[0023] 本发明目的在于提供一种可应用于作业型ROV仿真训练模拟器的运动控制系统。\n本发明包括：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/力矩模型、脐带缆干扰力/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/力矩模块、6个自由度的推力/力矩和外部干扰力/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。本发明可模拟在不同海底流场速度和机械手作业干扰力条件，实时模拟四自由度运动操纵手柄来控制作业型ROV的纵向、横向、垂向、偏航运动，实时模拟ROV六自由度PID控制器的输出的期望推力或推力矩的动态变化过程，还可实时模拟ROV的八个液压螺旋桨推进器的实际输出推力、转速动态变化过程。本发明中的作业型ROV运动控制仿真系统具有结构简单、使用方便，可以比较真实的描述作业型ROV的内部控制体系结构组成，可以逼真模拟作业型ROV六个自由度运动状态、六个自由度的控制力/力矩、螺旋桨推进器推力/转速动态变化过程等优点。\n[0024] 本发明的目的是这样实现的：如图1所示，作业型ROV本体水动力学模型输出六个自由度运动状态，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控制器实时采集水下机器人六自由度的运动状态，并根据控制指令，如：ROV操纵手柄命令、自动保持航向、自动保持高程、自动保持深度和DP命令，经过六个方向的PID控制器，来实时输出六个自由度的期望推力/推力矩。将这六个自由度的推力/推力矩输入到过驱动推力分配算法模块，根据推力分配的伪逆算法，可实时输出四个水平和四个垂直推进器的期望推力。\n接着，将八个推进器的期望推力输入到液压螺旋桨推进器仿真控制模块，如图2所示，分别经过放大器、液压马达排量模块、螺旋桨动力学方程模块，输出八个推进器的实时推力和转速。如图1所示，将推进器实际推力输入到8个推进器推力合成6个自由度的推力/力矩模块，来输出六个自由度的实际推力/推力矩。将以上得到的推力/推力矩输入到6个自由度的推力/力矩和外部干扰力/力矩合成模块，与外部干扰力/力矩(机械手作业干扰力、脐带缆干扰力)进行合成计算，即可得到作用到ROV本体上的推力/推力矩。\n[0025] 作业型ROV训练模拟器的六自由度运动控制器是这样实现的，如图3所示：ROV操纵手柄可以控制ROV四个自由度的运动，如：前进/后退、左移/右移、上浮/下沉、左/右转艏运动。ROV自动控制功能包含自动保持航向、自动保持高程、自动保持深度和动力定位(DP)功能。逻辑判断模块的功能是根据以上控制命令的预先设置优先级，来自动判断执行哪个命令。每个自由度的控制器都分为内/外环控制器(位置环和速度环)，ROV操纵手柄的控制命令从速度环换直接输入。优先级最高的为DP功能；次之为自动保持航向、自动保持高程/深度命令；最后ROV操纵手柄命令。其中，自动保持深度和自动保持高程命令具有互斥特点，只能有一个命令有效，当激活其中一个命令时，另一个命令自动失效。作业型ROV具有自动保持横倾角和纵倾角稳定的功能。\n[0026] 本发明所设计的ROV训练模拟器运动控制系统具有结构简单、层次清晰、使用方便，可以比较真实的描述作业型ROV的内部控制体系结构组成，具有能够准确的模拟实际作业型ROV水下运动控制功能及过程的特点，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。\n[0027] 一种作业型ROV训练模拟器的运动控制仿真系统，基于某作业型ROV水动力学模型，设计了作业型ROV六自由度运动控制仿真系统，包含：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/力矩模型、脐带缆干扰力/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/力矩、6个自由度的推力/力矩和外部干扰力/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。本发明可实现以下功能：可实时模拟通过操纵手柄或自动控制功能按钮来控制作业型ROV六自由度的运动，实时模拟六自由度控制器的推力/推力矩的动态变化过程，实时模拟液压控制推进器的推力变化过程，实时模拟机械手作业干扰力、海流速度干扰、脐带缆干扰力对作业型ROV运动控制性能的影响。\n[0028] 六个方向的运动控制器都是双闭环(速度环和位置环)控制。ROV操纵手柄通过对应的四个速度环可控制四个自由度(前进/后退、左横移/右横移、升沉、左/右转艏)的运动；\n而纵倾和横倾控制器具有自动保持功能。ROV六自由度PID控制器还具有逻辑判断功能，可根据预先设定的优先级，自动判断执行ROV控制手柄操纵命令还是自动控制功能命令。\n[0029] 根据运动控制器输出的六个方向的期望推力/推力矩，按照过驱动伪逆推力分配算法，将其分配成八个推进器(四个水平推进器和四个垂直推进器)的期望推力。\n[0030] 将推进器的阀控液压环节视为一个比例放大环节，将输入的每个推进器的期望推力转换成期望的液压马达两端油液压力，进而转化为液压马达的扭矩输出，用这个扭矩来控制液压螺旋桨的转速及推力。在控制系统仿真中加入液压螺旋桨推进器控制模块，可使ROV六自由度运动控制仿真更接近实际作业型ROV运动控制的动态过程。\n[0031] 下面给出本发明专利的实施方式，并结合附图1-3加以说明。首先根据图1中ROV训练模拟器的运动控制仿真系统原理示意图，在matlab中建立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/力矩模型、脐带缆干扰力/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/力矩、6个自由度的推力/力矩和外部干扰力/力矩合成模块等。\n[0032] 如图1所示，作业型ROV本体水动力学模型输出六个自由度运动状态，ROV六自由度PID控制器实时采集水下机器人六自由度的运动状态，并根据控制指令，如：ROV操纵手柄命令、自动保持航向、自动保持高程、自动保持深度和DP命令，经过六个方向的PID控制器，实时输出六个自由度的期望推力/推力矩。公式(1)-(2)所示的ROV六自由度的推力/推力矩和八个推进器的期望推力之间的关系；将这六个自由度的推力/推力矩输入到过驱动推力分配算法模块，根据公式(3)的伪逆算法，可实时输出四个水平和四个垂直推进器的期望推力。\n[0033] 如图2所示，将八个推进器的期望推力输入到液压螺旋桨推进器仿真控制模块，将八个推进器的期望推力输入到液压螺旋桨推进器仿真控制模块，分别经过放大器、液压马达排量模块、螺旋桨动力学方程模块，输出八个推进器的实时推力和转速。其中：放大器可按照下式(5)计算，具体参数值可参考液压螺旋桨推进器的输出特性曲线。液压马达排量模块，即为液压马达的排量，液压螺旋桨推进器的输出扭矩可按照下式(6)计算。液压马达输出的扭矩输入到螺旋桨动力学方程模块，可参考下公式(7)-(9)，即可得到螺旋桨推进器的实时转速及推力。\n[0034] 如图1所示，接着，将推进器实际推力输入到8个推进器推力合成6个自由度的推力/力矩模块，按照公式(1)输出六个自由度的实际推力/推力矩。将以上得到的推力/推力矩输入到6个自由度的推力/力矩和外部干扰力/力矩合成模块，与外部干扰力/力矩(机械手作业干扰力、脐带缆干扰力)按照公式(4)进行合成计算，即可得到作用到ROV本体上的推力/推力矩。\n[0035] 在调试以上模块功能及互相联调无误后，建立ROV自动控制功能模块和四自由度ROV操纵手柄模块输入旋钮。在Matlab中运行仿真程序后，操纵人员可通过使用ROV操纵手柄或自动控制功能，给ROV期望的控制命令。这些操纵命令被输入给ROV六自由度运动PID控制器，通过控制器中逻辑判断功能模块，输出优先级最高的控制命令。这些控制指令将控制ROV的运动，如前进/后退、横向运动、升/沉、转艏、保持航向、保持高程、保持深度、动力定位功能(DP功能)等。同时，仿真控制程序还可根据操作人员选择实现以下功能：实时输出水下机器人的运动和控制状态变化过程，如：ROV本体坐标系下和大地坐标系下ROV的三个方向线性运动的加速度、速度、位移等、三个旋转运动的角加速度、加速度、角位移等；六个自由度的期望输出推力/推力矩、六个自由度的实际输出推力/推力矩；八个推进器的期望推力、八个推进器的实际推力；八个推进器的转速与消耗功率；八个推进器的液压阀压力等。通过设置不同海底流场流速，并根据ROV的运动速度，进而实时输出八个推进器的转速及推力的动态变化过程。通过设置ROV作业时的不同机械手干扰力和脐带缆干扰力状态，可实时仿真模拟机械手作业和脐带缆力对ROV水下运动的影响。\n[0036] 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：\n[0037]\n[0038] 式中， ——控制器输出期望纵向推力； ——控制器输出期望横向推力；\n——控制器输出期望垂向推力； ——控制器输出期望纵倾力矩； ——控制器输出期望横倾力矩； ——控制器输出期望偏航力矩；τi——第i个推进器的期望推力；B(β)——推进器的矢量布置矩阵，可以表示为：\n[0039]\n[0040] 式中，βi——第i(τ1、τ2、τ3、τ4)个推进器与本体坐标系OX轴的夹角；βi——第i(τ5、τ6、τ7、τ8)个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——分别为四个垂直推进器(τ5、τ6、τ7、τ8)距离ROV本体坐标系的OX、OY、OZ轴的距离；符号c——余弦函数cos(·)；符号s——正弦函数sin(·)。\n[0041] 八个推进器的期望推力可按照下式计算：\n[0042]\n[0043] 最终作用于ROV本体上的合力/合力矩可按照下式计算：\n[0044]\n[0045] 式中： ——分别为八个推进器实际输出的推力合\n成六个自由度的推力/推力矩； ——分别为机械手作业时的\n六个自由度的力/力矩； ——分别为ROV作业时脐带缆的六个自\n由度的力/力矩；TX、TY、TZ、TK、TM、TN——分别为作用于ROV本体上的六个自由度的合力/合力矩；\n[0046] 八个推进器的液压控制环节的放大倍数可按照下式计算：\n[0047]\n[0048] 式中：pL——液压马达油液两端的压力差；Ti——第i个推进器的期望推力；Ki——第i个推进器所对应的放大倍数。\n[0049] 液压马达的输出力矩可按下式计算：\n[0050] Tg＝DMpL  (6)\n[0051] 式中：Tg——液压马达的输出扭矩，即驱动力矩；DM——液压马达的排量。\n[0052] 液压马达和负载力矩的平衡方程为：\n[0053]\n[0054] 式中:Tg——液压马达产生的驱动力矩；BM——负载和液压马达的粘性阻尼系数；\nG——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——液压马达和负载的总惯性量；TL——作用在液压马达的任意外负载力矩,对于液压推进器来说，可以认为外负载力矩为螺旋桨的扭矩，即TL＝Q。\n[0055] 螺旋桨扭矩可用下式计算：\n[0056] Q＝KQρn2D5  (8)\n[0057] 式中：Q——螺旋桨的扭矩；KQ——螺旋桨转矩系数；ρ——水的密度；n——螺旋桨的转速；D——螺旋桨的直径；\n[0058] 螺旋桨推力可用下式计算：\n[0059] T＝KTρn2D4  (9)\n[0060] 式中：KT——螺旋桨推力系数。\n[0061] 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—Remotely Operated Vehicle)训练模拟器的六自由度运动仿真控制系统设计方法，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/力矩模型、脐带缆干扰力/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/力矩、6个自由度的推力/力矩和外部干扰力/力矩合成模块、ROV自动控制功能模块和四自由度ROV操纵手柄模块等。本发明可实现以下功能：可实时模拟通过操纵手柄或自动控制功能按钮来控制作业型ROV六自由度的运动；实时模拟六自由度控制器的期望推力/推力矩的动态变化过程；实时模拟过驱动推力分配算法功能，将六个方向的期望推力/推力矩按照一定优化分配方法分解成八个推进器的期望推力；通过引入液压螺旋桨推进器仿真控制模块，实时模拟液压控制推进器的扭矩、推力、转速的动态变化过程；实时模拟机械手作业干扰力、脐带缆干扰力对ROV运动控制性能的影响；实时模拟海流速度干扰对ROV运动控制性能的影响。本发明中的作业型ROV运动控制仿真系统具有结构简单、使用方便，可以比较真实的描述作业型ROV的内部控制体系结构组成，可以逼真模拟作业型ROV六自由度运动及控制参数的动态变化过程等优点。