ROV水下作业仿真系统的研究

论文摘要

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。

论文目录

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