一种作业型rov训练模拟器的运动控制仿真系统的制作方法
【技术领域】
[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（R0V-Remotely Operated Vehicle)的，一种作业型ROV训练模拟器的运动控 制仿真系统。
【背景技术】
[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。
[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。
【发明内容】
[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。
[0005] -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，
[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；
[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；
[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；
[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，
[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；
[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。
[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：
[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；
[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。
[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。
[0016] 有益效果：
[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。
【附图说明】
[0019] 图I ROV训练模拟器的运动控制仿真系统组成原理示意图；
[0020] 图2阀控液压螺旋桨推进器的仿真框图；
[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。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[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。 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R 0V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。
[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