陳祥余　宋磊　尚憲朝　鐘朝廷

摘 要：基于水下環(huán)境復(fù)雜和作業(yè)難度大等特點，為了實現(xiàn)水下ROV作業(yè)培訓(xùn)，建立了ROV作業(yè)視景仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)方法，進行了ROV和臍帶纜的受力分析，討論了ROV-纜系統(tǒng)運動數(shù)學模型的建立方法和求解方法，重點分析了ROV操縱性能預(yù)報和運動仿真方法。通過典型工況下ROV直航運動和回轉(zhuǎn)運動的仿真結(jié)果可看出，臍帶纜主要影響ROV的縱向運動性能。因此，在VegaPrime環(huán)境下進行了ROV作業(yè)培訓(xùn)的視景模型驅(qū)動、碰撞檢測、視點切換和軟件界面開發(fā)等工作，實現(xiàn)了交互的ROV水下作業(yè)仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：遙控式水下機器人；柔性臍帶纜；海洋工程；ROV

中圖分類號：TP391.9；TB24 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.17.004

遙控式水下機器人（ROV）是海洋工程水下作業(yè)中的重要工具，但因水下環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致作業(yè)難度較大。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行ROV水下作業(yè)的實時仿真，并通過模擬ROV水下作業(yè)流程測試ROV的各項性能指標和預(yù)評估作業(yè)方案，可降低ROV的實際作業(yè)風險、節(jié)約實訓(xùn)成本。本文以某國產(chǎn)開架式觀察型ROV為研究對象，建立了ROV和臍帶纜耦合運動數(shù)學模型，并進行了仿真試驗，研究了臍帶纜對ROV的運動影響，最后分析了ROV作業(yè)視景仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了ROV水下作業(yè)培訓(xùn)功能。

1 ROV系統(tǒng)運動模型

使用ROV進行水下作業(yè)時，臍帶纜和ROV之間會互相影響，構(gòu)成了一個復(fù)雜的動態(tài)耦合響應(yīng)系統(tǒng)。為了更好地控制ROV和臍帶纜，提高保障系統(tǒng)的安全性和可靠性，本文根據(jù)ROV系統(tǒng)建立了相應(yīng)坐標系，如圖1所示。

在圖1中，有可相互轉(zhuǎn)換的3個坐標系，包括系統(tǒng)坐標系（o-xyz）、臍帶纜局部坐標（b，t，n）和水下拖體坐標系（ξηζ）。

1.1 臍帶纜運動方程

考慮到海流速度和方向僅與海的深度有關(guān)，臍帶纜在水下運動時，根據(jù)牛頓第二定律，受到海流阻力、重力、浮力和運動響應(yīng)關(guān)系的計算方式為：

式（1）中：M為臍帶纜的質(zhì)量矩陣； 為加速度；T為臍帶纜張力；F為作用于臍帶纜上的外力，包括重力、浮力和流體阻力。

臍帶纜位于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)運動時，式（1）可改寫為：

式（2）中：T為臍帶纜張力，方向指向臍帶纜的切線方向；B為單位長度臍帶纜所受浮力；G為單位長度的臍帶纜重力；D為流體阻力。

臍帶纜張力與臍帶纜長度的微分關(guān)系如下：

將式（3）與重力、浮力和流體阻力代入臍帶纜平衡方程，在局部坐標系中表示為：

式（4）中：w為臍帶纜單位濕重，w=（μ-ρσ）g；ρ為流體密度；d為臍帶纜直徑；ut，ub，un為局部坐標系下的速度分量。則：

臍帶纜在系統(tǒng)坐標系中的坐標為：

水下臍帶纜的首尾兩端的邊界條件是確定的，臍帶纜的穩(wěn)態(tài)問題可轉(zhuǎn)化為兩點邊值問題來求解。臍帶纜首端與母船速度方向一致，臍帶纜尾端由外力確定初始值，計算公式為：

式（7）中：Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為作用在ROV上的外力，與臍帶纜張力平衡。

1.2 ROV六自由度運動方程

ROV所受的力主要分重力、浮力、臍帶纜拉力和水動力。其中，水動力劃分為慣性類水動力與黏性類水動力兩類。ROV水下運動的空間六自由度運動方程為：

. （8）

式（8）中：Mtv為ROV的質(zhì)量矩陣，運動參數(shù)和力的坐標分量如表1所示。

*[基金項目]國家科技重大專項“海洋深水工程重大裝備及配套工程技術(shù)”（項目編號：2011ZX05027-005）

為了更精確地描述ROV的運動軌跡，引入了動力學耦合邊界條件，因此，ROV的運動方程改寫為：

. （9）

臍帶纜初始節(jié)點平動質(zhì)量矩陣從慣性坐標系到隨體坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣為Mc0，為6×6矩陣。

1.3 ROV輔助運動方程

ROV的姿態(tài)角同角速度的關(guān)系為：

. （10）

ROV在系統(tǒng)坐標系中的速度為：

. （11）

綜上所述，根據(jù)拖穩(wěn)態(tài)運動控制方程、ROV六自由度運動方程和ROV輔助運動方程組成的運動微分方程組，計入動力學耦合條件后通過運動邊界條件關(guān)聯(lián)，采用四階龍格庫塔積分進行數(shù)值求解，可得到慣性坐標系中ROV的位置、速度、角速度和姿態(tài)角，以及臍帶纜節(jié)點的位置速度。

2 仿真數(shù)值實驗

基于上述建立的ROV運動數(shù)學模型、ROV的運動情況、臍帶纜與ROV耦合情況，控制推進器電壓進行了特定海況下ROV直航和回轉(zhuǎn)運動數(shù)值仿真試驗，進而分析了臍帶纜與ROV耦合作用對ROV運動性能的影響

2.1 直航運動

進行了不同工況下ROV的單自由度橫移、升沉和進退運動數(shù)值仿真，分析、評估了ROV的運動能力，得到的ROV的速度時間曲線如圖2、圖3、圖4和圖5所示。

圖2 側(cè)推電壓分別為2.9 V和-4.9 V時ROV的橫移運動速度和時間變化曲線

圖3 垂推為5 V時ROV的升沉運動速度和時間變化曲線

圖4 不同左、右主推電壓下ROV的縱向運動速度曲線

圖5 推力電壓為5 V，水深不同時ROV的縱向運動速度和時間變化曲線

由圖2和圖3可看出，在橫移運動和升沉運動過程中，速度曲線斜率在運動速度達到最大值后開始降低。由此可見，臍帶纜與ROV的運動耦合作用引起的阻力對橫移運動的影響較小。在圖4中的ROV縱向運動過程中，ROV產(chǎn)生的最大速度隨著主推電壓的增大而增大，當ROV的速度達到最大時開始逐漸減慢，最終降至0，這是因為流體阻力隨著纜長的增加而變大，逐漸超過推進器提供的推力。在圖5中，不同水深條件下ROV的最大速度值隨著水深的增加而減小。

影響ROV所受阻力的外界因素主要有臍帶纜的長度和航行深度，且由阻力因素分析可知，阻力與臍帶纜長度成正比。

2.2 回轉(zhuǎn)運動

為了進一步分析臍帶纜與ROV耦合作用對ROV運動性能的影響，進行了回轉(zhuǎn)運動仿真。在仿真環(huán)境中，首先打開2個主推進器，當ROV運動速度達到最大時，打開側(cè)推進器，使ROV開始做回轉(zhuǎn)運動。在水深40 m的航行環(huán)境中，忽略海流的影響，對不同推進器電壓組合對ROV完整回轉(zhuǎn)運動的影響進行了仿真分析，得到的ROV的回轉(zhuǎn)運動軌跡如圖6所示。

a.主推電壓V主推=5 V，側(cè)推電壓V側(cè)推=5 V b.主推電壓V主推=5 V，側(cè)推電壓V側(cè)推=3 V

c.主推電壓V主推=3 V，側(cè)推電壓V側(cè)推=5 V d.主推電壓V主推=3 V，側(cè)推電壓V側(cè)推=5 V

圖6 不同推進器電壓組合條件下ROV的回轉(zhuǎn)運動軌跡

打開2個主推進器，當ROV運動速度達到最大時，打開側(cè)推進器，ROV開始進行搖艏與進退相結(jié)合的運動狀態(tài)，最終ROV做圓周運動。

根據(jù)仿真結(jié)果，可得到每種仿真實驗中ROV運動的實驗結(jié)果，包括達到最大速度的時間Tvmax、運動第一周所需的時間Tf、動運角速度ω和回轉(zhuǎn)直徑D0，具體如表2所示。

由圖6和表2可見，當主推工作電壓相同時，不同側(cè)推工作電壓對回轉(zhuǎn)速度的影響較小；側(cè)推工作電壓相同時，不同主推工作電壓產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)角速度和回轉(zhuǎn)周期相差很大，回轉(zhuǎn)直徑與主推工作電壓成正比，與側(cè)推工作電壓成反比。

基于上述仿真結(jié)果，可通過控制ROV的縱向速度影響ROV的回轉(zhuǎn)運動。

3 ROV水下作業(yè)培訓(xùn)的視景仿真

視景仿真能增強訓(xùn)練人員的投入感，提高作業(yè)培訓(xùn)的真實性，因此，利用了實時仿真軟件VegaPrime進行ROV水下作業(yè)培訓(xùn)的視景仿真驅(qū)動。

3.1 視景仿真框架

構(gòu)建了ROV的各種作業(yè)環(huán)境和目標模型，并進行了實時視景軟件驅(qū)動場景生成、視點變換和運動效果渲染，動態(tài)地模擬了ROV的作業(yè)環(huán)境。其二次開發(fā)工作圖如圖7所示。

圖7 基于Multigen Creator和Vega的視景仿真開發(fā)流程圖

3.2 碰撞檢測

碰撞檢測是虛擬場景模型驅(qū)動中的重要內(nèi)容，精確的碰撞檢測能提高虛擬場景的真實性和增強虛擬操作環(huán)境的真實感。碰撞檢測結(jié)果不僅能影響場景出現(xiàn)穿透、重疊等穿幫視覺效果，還會反饋至運動模型，作為運動模型輸入影響的運動趨勢，進而對整個視景系統(tǒng)的逼真性起著至關(guān)重要的作用。

基于VegaPrime軟件的Bump方法，采用x，y，z軸正負方向6條定長檢測線，形成了一個空間檢測體，如圖8所示。根據(jù)預(yù)先定義的場景物體材質(zhì)屬性代碼，靈活、高效地檢測了各類屬性場景模型。

圖8 ROV碰撞檢測示意圖

基于VegaPrime二次開發(fā)碰撞檢測模塊的檢測流程如圖9所示。

圖9 碰撞檢測及響應(yīng)流程圖

3.3 ROV視景仿真軟件

基于Visual Studio2008平臺編寫實景仿真軟件，調(diào)用VegaPrime視景輸出通道在軟件界面顯示主視圖和俯視圖，如圖10所示，并在界面上實時顯示了ROV的運動位置、姿態(tài)和推進器電壓等信息。同時，通過鼠標和界面按鈕實現(xiàn)了對ROV的操控和對視覺場景的控制。

圖10 視景仿真軟件界面

4 結(jié)束語

為了建立ROV水下作業(yè)視景仿真系統(tǒng)，本文建立了六自由度空間ROV運動數(shù)學模型，分析了ROV和臍帶纜的受力，重點研究了系統(tǒng)間的交互耦合運動，進行了ROV直航運動和回轉(zhuǎn)運動的仿真試驗，并開發(fā)了視景仿真軟件，實現(xiàn)了人機交互的ROV水下作業(yè)仿真系統(tǒng)。由仿真結(jié)果可看出，臍帶纜與ROV耦合作用對ROV的縱向運動和回轉(zhuǎn)運動性能影響較大，過長的臍帶纜會降低ROV的航速，這對開發(fā)設(shè)計海洋工程水下勘探作業(yè)等模擬器具有參考價值。

參考文獻

[1]朱繼懋.潛水器設(shè)計[M].上海：上海交通大學出版社，1992.

[2]馬繼安，維維.ROV在深海工程中的應(yīng)用[J].海洋開發(fā)與管理，1989（01）.

[3]王飛.海洋勘探拖曳系統(tǒng)運動仿真與控制技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學，2006.

[4]袁利毫.船舶操縱模擬器視景仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

〔編輯：張思楠〕