ROV在水底的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)通過(guò)控制兩個(gè)螺旋槳推進(jìn)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。給定參數(shù)為航速和航向角,輸出為兩個(gè)推進(jìn)器的推力。這里航向角控制器選擇PID調(diào)節(jié)器。只有兩個(gè)推進(jìn)器,推力分配算法簡(jiǎn)單。

5 仿真研究為了驗(yàn)證水下探測(cè)ROV設(shè)計(jì)的合理性,進(jìn)行了仿真研究。5.1 水下機(jī)器人模型建立水下機(jī)器人6自由度運(yùn)動(dòng)模型的各個(gè)自由度彼此之間存在耦合,由于水下探測(cè)ROV常在低速下運(yùn)動(dòng),可以將其運(yùn)動(dòng)分解為為水平面運(yùn)動(dòng)(包括狀態(tài)變量

)和垂直面運(yùn)動(dòng)(包括狀態(tài)變量

)兩部分,并且認(rèn)為這兩個(gè)自由度之間不存在耦合關(guān)系。結(jié)合本文研究對(duì)象的情況,設(shè)計(jì)方案中ROV的外形為左右、前后對(duì)稱(chēng),且重力、浮力分布可使其保持水平狀態(tài),無(wú)橫傾或縱傾。其在水平面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,ROV滿(mǎn)足條件:

此外,由于其只沿縱向平行安裝兩個(gè)水平推進(jìn)器,推進(jìn)器的作用只限于產(chǎn)生水下機(jī)器人的進(jìn)退和轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)。當(dāng)左右推進(jìn)器產(chǎn)生相同推力矢量時(shí)可引起進(jìn)退運(yùn)動(dòng),而當(dāng)兩者產(chǎn)生大小或方向不同的推力時(shí)則可引起轉(zhuǎn)艏運(yùn)動(dòng)。根據(jù)上述假設(shè)和條件可以得到ROV在水平面內(nèi)的簡(jiǎn)化模型:

式中:

——包含附加質(zhì)量的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;

—沿

方向的流體阻力中線性項(xiàng)和非線性項(xiàng);

——繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向的流體阻力的線性項(xiàng)和非線性項(xiàng);

——為推進(jìn)器產(chǎn)生的X軸向力和繞Z軸的轉(zhuǎn)艏力矩。ROV采用壓載水艙進(jìn)行垂直面的位置控制,其在垂直面的模型可以簡(jiǎn)化為:

式中:

——包含附加質(zhì)量的質(zhì)量;

——沿Z方向流體阻力的線性項(xiàng)和非線性項(xiàng);

——壓載水艙產(chǎn)生的垂向作用力。5.2 仿真驗(yàn)證

仿真情況設(shè)定為:ROV由初始靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)直航,需保持左右推進(jìn)器輸出相同大小和方向的推力。不同推力情況下ROV的速度響應(yīng)曲線如圖4所示。由速度響應(yīng)曲線可以發(fā)現(xiàn),其速度經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的增加后最終保持在一定的數(shù)值,此時(shí)推力與阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,ROV作勻速直線航行。令

表示ROV在大地坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)。圖5為ROV由初態(tài)

控制ROV垂直下潛到10米處懸停。ROV橫傾角

的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)特種ROV左右兩個(gè)浮力調(diào)節(jié)艙的不同的注、排水量來(lái)產(chǎn)生左右兩個(gè)浮力調(diào)節(jié)艙的浮力差,即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的偏傾力矩。其仿真結(jié)果如下圖6所示。從仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出所設(shè)計(jì)的ROV深度協(xié)調(diào)控制器達(dá)到了預(yù)期的控制效果。

6 結(jié)束語(yǔ)本文介紹了開(kāi)架式水下探測(cè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng),基于AT91RM9200處理器設(shè)計(jì)了ROV嵌入式控制器。建立了ROV的數(shù)學(xué)模型,提出了ROV垂直面協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制的方法,并進(jìn)行了深度和橫傾角協(xié)調(diào)控制仿真。仿真實(shí)驗(yàn)證明控制器設(shè)計(jì)的有效性。

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