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ROV水下作业仿真系统的研究

作　者: 赵煜森
导　师: 韩端锋
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 遥控式水下机器人(ROV) 运动仿真视景仿真
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 66次
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内容摘要

海洋是人类发展最有潜力的空间,是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地,对我国经济与社会发展将产生直接、巨大的支撑作用。随着海洋研究与开发的不断深入,水下机器人成为人们完成各种水下任务的重要辅助工具,其中遥控式水下机器人(ROV)在海洋开发的很多领域都得到了广泛应用。由于ROV的作业环境是安全性非常差的深海,对于ROV性能要求很高,ROV一旦丢失,损失非常严重。利用数值仿真和视景仿真技术进行ROV水下作业可视化仿真,可以模拟ROV水下作业流程,测试ROV的各项性能指标并对作业方案的可行性进行预评估,能够降低ROV在海上试验的风险,缩短试验周期,节约经济成本。本文就观察型ROV水下作业仿真技术进行了初步研究。首先,分析了ROV自身及拖缆的受力情况,建立了缆-体系统稳态运动数学模型及其求解方法,并采用集中质量法,通过建立拖缆与ROV间的运动耦合边界条件及动力耦合边界条件,建立了缆-体系统动态数学模型,给出了ROV的六自由度空间运动方程；其次,以某国产开架式ROV为研究对象,基于缆-体耦合系统六自由度空间运动方程,使用四阶龙格库塔方法求解,对ROV进行了运动仿真及操纵性能预报,给出了典型工况下ROV直航运动和回转运动的仿真结果,分析了拖缆与ROV耦合作用对ROV运动性能的影响。最后,利用Multigen Creator三维模型建模软件,通过层级结构管理和LOD技术,有效的组织部件结构,为ROV和海底地形建立符合视景仿真要求的三维模型；根据ROV运动仿真程序输出的六自由度参数,采用Vega提供的软件环境并利用已经建立ROV模型,生成了水下虚拟视景,完成模型的驱动、碰撞检测与视点切换以及ROV视景仿真界面的开发等,实现了ROV水下作业仿真系统的人机交互。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 水下机器人概念与分类  12-13
  1.3 ROV的特点与研究现状  13-18
    1.3.1 ROV的特点  13
    1.3.2 国外ROV研究现状  13-17
    1.3.3 国内ROV研究现状  17-18
  1.4 国内外ROV仿真技术研究现状  18-20
    1.4.1 国外ROV仿真技术研究现状  19
    1.4.2 国内ROV仿真技术研究现状  19-20
  1.5 论文的意义与主要内容  20
  1.6 本章小结  20-21
第2章 ROV仿真系统总体设计  21-28
  2.1 引言  21
  2.2 目标ROV概况  21-23
  2.3 ROV仿真系统功能  23
  2.4 ROV仿真系统组成  23-26
  2.5 ROV仿真系统关键技术及其技术路线  26-27
  2.6 本章小结  27-28
第3章 ROV运动数学模型的建立  28-44
  3.1 引言  28
  3.2 拖缆运动的数学模型  28-31
    3.2.1 坐标系的建立  29-31
    3.2.2 海流的数学模型  31
    3.2.3 拖缆运动控制方程  31
  3.3 拖缆的稳态运动及求解  31-32
  3.4 拖缆的动态运动及求解  32-37
    3.4.1 附加质量的确定  32-34
    3.4.2 拖缆集中质量法的数学模型  34-36
    3.4.3 拖缆运动的边界条件  36-37
    3.4.4 拖缆的初始条件  37
  3.5 ROV运动数学模型  37-43
    3.5.1 ROV六自由度运动方程  37-39
    3.5.2 ROV辅助运动方程  39
    3.5.3 ROV水动力系数的确定  39
    3.5.4 ROV螺旋桨推力的确定  39-40
    3.5.5 ROV与拖缆的耦合  40-42
    3.5.6 耦合运动的数值求解  42-43
  3.6 本章小结  43-44
第4章 ROV运动数值仿真  44-53
  4.1 引言  44
  4.2 直航运动  44-48
    4.2.1 纵向运动  45-47
    4.2.2 横移运动  47-48
    4.2.3 升沉运动  48
  4.3 回转运动  48-52
    4.3.1 完整回转运动  49-52
    4.3.2 空间回转  52
  4.4 本章小结  52-53
第5章 ROV水下作业视景仿真的实现  53-72
  5.1 引言  53
  5.2 ROV水下作业视景仿真系统总体设计  53-54
    5.2.1 性能指标  53
    5.2.2 总体框架  53-54
  5.3 ROV仿真环境三维建模  54-63
    5.3.1 视景开发工具简介  54-56
    5.3.2 模型的建立  56-63
  5.4 ROV视景仿真驱动  63-69
    5.4.1 实时仿真软件Vega简介  63-66
    5.4.2 视景驱动的实现  66-69
  5.5 ROV视景仿真界面简介  69-71
  5.6 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-75
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  75-76
致谢  76

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