一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法
【专利摘要】本发明涉及深海作业型ROV【技术领域】，具体地说是一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法。本发明包括：建立定坐标系、随体坐标系和推进器坐标系，估计六自由度坐标转换矩阵；估计作业型水下机器人质量矩阵以及引起的柯氏力和向心力矩阵；估计作业型ROV所受水动力；估计作业型ROV所受静力；估计作业型ROV推力；估计未知干扰项；确定作业型ROV最终的动力学和运动学模型。本发明利用动力学、流体力学和潜艇操纵性等理论进行深海作业型ROV的动力学和运动学建模，针对水下潜器复杂的数学模型，利用对称理论和小量忽略的方法对深海作业型ROV的数学模型进行简化，所建立的模型可以更精确的估计ROV受力情况。
【专利说明】一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及深海作业型ROV【技术领域】，具体地说是一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法。
【背景技术】
[0002]ROV的动力学和运动学模型体现了 ROV的运动规律，是水下机器人对于环境和系统信息的一种量化表不，对于水下机器人感知层体系结构中的信息处理技术、环境感知以及指令理解都是重要的参考。研究潜水器在水中受到各种力矩以及力影响下的运动规律，从而建立潜水器的运动方程，是研究其控制系统的基础。但是，如果模型过于复杂，则会导致控制系统很复杂，甚至不能实现；如果模型过于简单，就不能真实反映系统的运动，导致控制性能下降。因此，建立水下机器人空间动力学方程，并适当简化，对于研究水下机器人的控制来说十分重要。
[0003]ROV数学模型包括动力学模型和运动学模型，是基于动力学、流体力学和潜艇操纵性等理论建立起来的多变量微分方程组。
[0004]1967年美国泰勒海军舰船研究和发展中心(DTNSRDC)发表的《用于潜艇模拟研究的标准运动方程》及1979年修正的潜艇标准运动方程，已经广泛应用于水下潜器建模等方面。但是，方程中含有上百个水动力系数，要获得全部的水动力系数是非常困难的，这就需要对方程进行合理的简化。
[0005]作业型ROV普遍使用大功率液压推进系统，液压推进系统作为执行器，其模型的精确程度对最终的控制性能有着直接的影响。实际工程中，推进器的安装角度、位置以及推进器的推力矢量都存在着误差。而在绝大多数水下运载器建模方法的研究中，均忽略了推进系统的安装误差以及推力矢量误差，只是将推进系统推力以及力矩作为理想的固定常数处理，这样的处理方式会对ROV的操纵性能以及稳定性控制等都会产生影响。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种用于实现深海作业型ROV动力学和运动学建模，更适用于深海作业型ROV深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法。
[0007]本发明的目的是这样实现的:
[0008](I)建立定坐标系、随体坐标系和推进器坐标系，估计六自由度坐标转换矩阵；
[0009](2)估计作业型水下机器人质量矩阵以及引起的柯氏力和向心力矩阵；
[0010](3)估计作业型ROV所受水动力；
[0011](4)估计作业型ROV所受静力；
[0012](5)估计作业型ROV推力；
[0013](6)估计未知干扰项；
[0014](7)确定作业型ROV最终的动力学和运动学模型。
[0015]所述步骤(I)包括:[0016](I)建立定坐标系:原点E确定在一定点，Εξ轴位于水平面，并以水下机器人主航向为正向；E η轴位于E ξ轴所在的水平面，按右手法则将E ξ轴顺时针旋转90°，即E ζ轴垂直于IE η坐标平面，指向地心为正；
[0017](2)建立随体坐标系:纵轴OX平行于潜水器主体基线，指向艏部为正；横轴OY平行于基线面，指向右舷为正；垂轴OZ位于潜水器主体中纵剖面内，指向底部为正；
[0018](3)建立推进器坐标系:设定推进器中心的具体位置，作为推进器坐标系的原点，推进器坐标系的纵轴OiXi与随动坐标系的纵轴正方向成角度α，根据右手定则OiZi的方向向下，OiYi垂直于XiOiZi面；
[0019](4)计算六自由度坐标转换矩阵:
【权利要求】
1.一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于: (1)建立定坐标系、随体坐标系和推进器坐标系，估计六自由度坐标转换矩阵； (2)估计作业型水下机器人质量矩阵以及引起的柯氏力和向心力矩阵； (3)估计作业型ROV所受水动力； (4)估计作业型ROV所受静力； (5)估计作业型ROV推力； (6)估计未知干扰项； (7)确定作业型ROV最终的动力学和运动学模型。
2.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述步骤(1)包括: (1)建立定坐标系:原点E确定在一定点，Εξ轴位于水平面，并以水下机器人主航向为正向；E η轴位于E ξ轴所在的水平面，按右手法则将E ξ轴顺时针旋转90°，即E ζ轴垂直于ξΕη坐标平面，指向地心为正； (2)建立随体坐标系:纵轴OX平行于潜水器主体基线，指向艏部为正；横轴OY平行于基线面，指向右舷为正；垂轴OZ位于潜水器主体中纵剖面内，指向底部为正； (3)建立推进器坐标系:设定推进器中心的具体位置，作为推进器坐标系的原点，推进器坐标系的纵轴OiXi与随动坐标系的纵轴正方向成角度α，根据右手定则OiZi的方向向下，OiYi垂直于XiOiZi面； (4)计算六自由度坐标转换矩阵:
3.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述步骤(2)包括: (O计算作业型水下机器人的质量矩阵:
4.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述步骤(3)包括: (O计算惯性类水动力系数矩阵以及流体惯性力引起的柯氏力和向心力矩阵:
5.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述步骤(4)包括:计算作业型水下机器人所受重力W=mg;计算作业型ROV所受浮力# = ,，P为海水密度，g为重力加速度，▽为ROV排水体积,则静力模型为:
6.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述的步骤(5)包括: (O计算随动坐标系到第i个推进器坐标系的包含误差项的坐标转换矩阵Π:,:
7.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述步骤(6):深海作业型ROV所受外界的未知干扰项包括海流的影响、光缆的拖拽力和作业机械手的反冲力，用有界的六自由度力/力矩Λ f表示。
8.根据权利要求1所述的一种深海作业型水下机器人的动力学和运动学估计方法，其特征在于，所述步骤(7)作业型ROV最终的动力学和运动学模型为:
【文档编号】G06F17/50GK103942383SQ201410153093
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】魏延辉, 周卫祥, 曾建辉, 杜振振, 何爽, 刘鑫, 王泽鹏, 韩寒, 胡佳兴, 贾献强 申请人:哈尔滨工程大学