CN116011294B - 一种六自由度rov作业仿真平台的搭建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，平台包括综合控制平台、教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统、数据库储存系统，搭建方法包含步骤（1）依据母船型线计算母船水动力系数和时延函数；步骤（二）脐带缆和系缆采用梁模型建立有限差分模型，计算形态和两端张力；步骤（三）建立耦合模型中脐带缆和系缆的边界条件；步骤（四）利用杆元模型建模系缆管理系统；步骤（五）非线性ROV操纵性方程；步骤（六）建立考虑ROV位姿的机械臂动力学模型。本发明提高ROV作业效率，减少设备损坏的风险，解决模拟器与真实ROV水下作业实际情况不符所导致的训练效果不佳的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，属于船舶领域。
背景技术
由于海洋是现代油气资源重要的储备基地，海上油气资源的储量从浅水、深水到超深水依次以超过2倍增加，深水和超深水油气资源开发逐步成为全球重点，因此对海上结构物的安装和石油生产储备设备的使用提出更高要求。遥控水下有缆机器人(ROV)在海上结构物与设备的安装与使用过程中扮演重要角色。ROV在结构物和设备安装阶段负责观察安装状态、检查安装区域、系缆释放和回收等作业。在生产过程中负责水下设备的监视和操作深水水下设备等作业。由于水下环境复杂，安全高效的操控ROV并完成作业任务成为一大难题。为了提高作业效率，减少设备损坏的风险，本专利发明了一种六自由度ROV作业系统的仿真平台。
现有ROV模拟和作业仿真系统存在以下不足：
1.作业场景局限性：现有系统的仿真模块中均以ROV和局部作业环境为主体进行ROV的仿真与控制，作业场景局限于ROV及其附近水域，而实际ROV作业中包括水面和水下两种场景中的多种结构物。
2.ROV作业影响因素缺乏：现有ROV模拟和作业仿真系统中影响ROV作业的因素仅包括线缆、机械臂和海流，但实际作业中ROV作业系统还包括母船、脐带缆、系缆管理系统(TMS)和系缆，环境因素还包括母船遭遇的海浪和海风、中继器遭遇的海流。
3.ROV运动响应不真实：由于现有的ROV模拟和作业仿真系统缺少水面场景、母船和TMS等因素，无法模拟母船在风浪中运动对水下TMS和ROV的影响。
4.ROV布放作业中其水动力系数依赖于ROV和TMS的结构形式，现有研究较少考虑复杂结构物的动力学问题，应用于仿真的水动力参数不能考虑复杂结构物局部构件水动力的相互干扰，因次缺乏有效的时域建模和考虑结构物复杂形态的极限海况估计方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，除了能够逼真的反应ROV的六自由度运动以外，还同时逼真的模拟水面母船、脐带缆以及机械臂对其所组成的ROV作业系统的影响。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，所述该仿真平台包含四大部分：HLA分布式集成开发框架、系统输入模块、实时仿真模块和系统输出模块，系统输入模块包括综合控制平台和教员控制系统，实时仿真模块包括海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统，系统输出模块包括显示系统和数据库储存系统；各系统通过运行时间支撑系统RTI提供接口规范中所描述的各项服务，RTI负责系统间的通信以实现互操作，其中：
所述综合控制平台通过网络开启教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统；所述教员控制系统发布训练科目，在训练中干预仿真平台设备和作业系统参数，并可设置故障和突发情况，训练操作员的应变能力，布置人造的水下采油树、管汇、水下防喷器、海管和基盘的位置和初始状态；
所述海洋环境模拟系统发布海流、海浪和海风环境，并可设置海洋环境情况，训练操作员的应变能力，输入显示系统进行海洋环境的三维显示；
所述仿真平台解算系统接收教员控制系统和海洋环境模拟系统数据，模拟海上母船和A型架运动，解算脐带缆三维运动；接收ROV操纵系统数据，计算ROV六自由度运动和机械手运动；计算水下目标的运动或形态。仿真平台解算系统输入显示系统进行，分别进行作业系统的第三视角显示和ROV视景显示；
所述ROV操纵系统与仿真平台解算系统进行网络通信链接，用于采集操作员的操作和指令，对ROV位姿和监视器视景进行显示；
所述显示系统接收仿真平台解算系统数据，用于显示母船、脐带缆、ROV、机械手作业状态和海洋环境的第三视角，显示系统能够改变视角位置，跟随母船和ROV的运动。
所述数据库储存系统包括母船、缆索、TMS和ROV仿真状态数据、网络传输、航迹曲线、速度曲线的数据库存储和实时绘制，包括以下步骤：
步骤一：依据母船型线计算母船水动力系数和时延函数，依据母船布置和A型架位置建立时域运动方程，
式中：M0为母船质量和附加质量的和；CRB0和CA0分别为刚体和流体的向心力和科里奥利力矩阵；D0为阻尼矩阵；K0(t-τ)为时延函数，其中t为仿真时间，γ为积分变量；U为母船的纵向航速；e1为纵向单位向量；G0为母船的刚度矩阵；τwind0为风载荷；τwave0为波浪载荷；vr0为母船在随体坐标系中与海流的相对速度，τcable0为脐带缆的张力，其在耐波性坐标系方向下标示为：
τcable0＝[Fx0,Fy0,Fz0,Fz0yf0-Fyzf0,F0zf0-Fz0xf0,Fy0xf0-Fx0yf0]T (2)
其中Fx0,Fy0,Fz0为脐带缆顶端在耐波性坐标系方向下的张力，通过基于梁模型的脐带缆仿真模块计算，(xf0,yf0,zf0)为A型架顶端相对母船重心在耐波性坐标系方向下的坐标，A型架顶端在耐波性坐标系下的线速度为
其中U0,V0,W0分别为耐波性坐标系中A型架顶端纵向、横向和垂向速度，r为A型架顶端的矢径，
和/>
分别为母船随体坐标系下的线速度和角速度。
步骤二：脐带缆和系缆采用梁模型建立有限差分模型，计算形态和两端张力：
建立脐带缆和系缆的梁模型：
式中：Y为脐带缆轴向应变ε、法向应力Sn、切向应力Sb、轴向速度u、法向速度v、切向速度w、微元的轴向和法向转角φ和θ、扭转率Ω1、法向曲率Ω2、切向曲率Ω3组成的向量；s为脐带缆微元长度；t为仿真时间；H为与脐带缆微元质量、附加质量、直径、微元的轴向和法向转角、速度和轴向应变相关的系数矩阵；P为与质量、速度、刚度有关的系数矩阵；Q为与Sn、Sb、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、流速、阻力系数、刚度有关的向量；
步骤三：建立耦合模型中脐带缆和系缆的边界条件
1)力学边界：脐带缆和系缆与母船、TMS和ROV相连，在耐波性坐标系方向下，母船、TMS和ROV受到的脐带缆或系缆顶端的张力为：
其中Fx(0,n),Fy(0,n),Fz(0,n)分别为耐波性坐标系纵向、横向和垂向张力，E为脐带缆的杨氏模量，A为脐带缆的横剖面面积，下标(0,n)代表底端或顶端的参数，0代表顶端参数，n代表底端参数；
2)运动边界：脐带缆两端与A型架顶端和TMS连接处的速度一致，系缆两端与ROV和TMS速度一致，脐带缆或系缆两端速度在耐波性坐标系方向下为：
其中Ut(0,n),Vt(0,n),Wt(0,n)分别为耐波性坐标系纵向、横向和垂向速度，系缆与脐带缆的边界条件计算方法相似，系缆顶端和末端分别为TMS和ROV；
3)建立系缆和脐带缆的有限差分模型：
式中：αh和αp为差分系数；Hi和Hi-1为前后微元与脐带缆微元与质量、附加质量、直径、微元的轴向和法向转角、速度和轴向应变相关的系数矩阵；Pi和Pi-1为前后微元与脐带缆微元与质量、速度、刚度有关的系数矩阵；Qi和Qi-1为前后微元与Sn、Sb、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、流速、阻力系数、刚度的向量；Yi和Yi-1为前后微元的向量Y；Δt为时间步长；Δs为微元长度；
步骤四：利用杆元模型建模系缆管理系统，考虑系缆和脐带缆的张力影响：
式中：M1为TMS质量和附加质量的和；C1为TMS的向心力和科里奥利力矩阵；D11和D21为一阶和二阶水动力系数；K1(x)为TMS的刚度矩阵；q1r为TMS受到的流载荷；q1cable和q1tether分别为脐带缆底端和系缆顶端的张力，计算方法与公式一致；x为TMS的位移；
为TMS的速度；/>
为TMS的加速度；t为仿真时间；杆元的水动力系数根据离散结构的形式和遮蔽关系(圆柱或平板等)确定，计及依赖深度变化的水动力特性；该模型相比于固定水动力系数进行时域仿真的方法，考虑了TMS和ROV结构间的相互影响和浸深的影响，更准确的计算TMS和ROV穿过自由液面过程的水动力。
步骤五：非线性ROV操纵性方程，考虑系缆张力和机械臂的影响：
式中：MRB2为ROV的质量矩阵；CRB2ROV的向心力和科里奥利力矩阵；MA2为ROV的附加质量矩阵，包含主对角线和非对角线附加质量和附加惯性矩共36个；N2为阻力系数矩阵；g2为恢复力矩阵；τ2thrust为推进器推力；τ2tether为系缆张力，计算方法与公式一致；τ2manipulator为机械臂基座对ROV的受力；v2为ROV速度；
为加速度；vr2ROV相对海流的速度；/>
为相对加速度；
所述的N2表达为非对称水动力，具体为：
式中Fvv和Fv|v|分别为二阶对称和非对称水动力系数；
步骤六：建立考虑ROV位姿的机械臂动力学模型：
机械臂仿真模块的正运动学包括在给定线性运动的情况下，求机械臂的滚转角，使用Denavit-Hartenbert符号来建立运动学模型的广义坐标，通过牛顿迭代方法计算；逆运动学包括，给定连杆的滚动转角度，求末端的线性运动；机械臂连杆的非线性动力学模型为：
式中Mi为连杆i的附加质量矩阵；Ci为连杆i的流体向心力和科氏力矩阵；Gi(qi)为连杆i的恢复力矩阵；τDi为连杆i受到的阻尼；τi为机械臂驱动力；
qi分别为连杆i的角加速度、角速度和转动角度，机械臂的边界条件为基座与ROV端部速度相等，ROV受到机械臂基座n的力为：
式中字符含义与式相同，下标j和k分别代表第j和k连杆。
作为优选，所述仿真平台解算系统内包括主控模块、母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块，其中：
所述的母船仿真模块接收海洋环境模拟系统和脐带缆仿真模块的数据，基于时域船舶耐波性方程计算母船和A型架的运动和位置；
所述的脐带缆仿真模块接收海流模块、母船仿真模块和ROV仿真模块数据，基于梁模型和有限差分方法计算脐带缆和系缆的形态和张力，基于杆元模型计算中继器TMS位姿；
所述的ROV仿真模块接收海流模块、脐带缆仿真模块和机械臂仿真模块数据，基于六自由度非线性非对称操纵性模型计算和控制ROV的位姿；
所述的机械臂仿真模块接收ROV仿真模块的数据，基于Newton-Euler法建立的动力学模型计算关节速度、加速度和受力。
作为优选，所述ROV操纵系统包括ROV操控模块、ROV电缆管理系统控制模块、ROV视景模块，其中：
所述ROV操控模块包括ROV本体操控模块和机械手操控模块分别控制ROV和机械手运动；
所述ROV电缆管理系统控制模块包括脐带缆收放系统和系缆收放控制，分别操控A型架和TMS的收放活动；
ROV操纵系统将数字量输入输出信号和模拟量输入信号通过系统处理器解算为相应的工程量，实现人与设备的交互式仿真。
针对现有技术的不足，本发明总体方案实现如下：
1.建立包括海风模块、海浪模块、海流模块的海洋环境模拟系统，模拟水面场景，包括：平均风速、有义波高、特征周期、流速分布等。为水面水下多种结构物的风浪流载荷计算提供参数；
2.建立母船数学模型、基于梁模型的系缆和脐带缆有限差分模型、基于杆元模型的系缆管理系统动力学模型，以上数学模型能够计算各结构物的风浪流载荷。建立仿真平台解算系统计算母船、TMS和线缆的运动和受力；
3.通过运动学和动力学边界条件将脐带缆和系缆与母船和ROV进行耦合，模拟船舶和TMS运动对ROV航行和作业的影响，提高ROV作业模拟的真实性。
本发明进一步解决的技术问题是，所述海洋环境模拟系统内包括海风模块、海浪模块、海流模块、显示模块。其中所述的海风模块根据教员控制系统发布的海况信息，计算作业海域的海风分布，为仿真平台解算系统提供母船位置的风速和风向。所述的海浪模块根据教员控制系统发布的海况信息，计算作业海域的波浪分布，为仿真平台解算系统提供母船位置的波面时历和方向。所述的海流模块根据教员控制系统发布的海况信息，计算作业海域海流沿深度的分布，为仿真平台解算系统提供母船、ROV和脐带缆位置的海流速度和方向。所述显示模块包括风浪谱、海流速度剖面、风浪流时历显示窗口，其他三者的信号输出端与显示模块的信号输入端连接，用于显示仪表数据。
本发明进一步解决的技术问题是，所述仿真平台解算系统内包括主控模块、母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块。其中所述的主控模块接收海洋环境模拟系统、母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块数据，用于作业仿真平台的运行调度和数据管理。所述的母船仿真模块接收海洋环境模拟系统和脐带缆仿真模块的数据，基于时域船舶耐波性方程计算母船和A型架的运动和位置。所述的脐带缆仿真模块接收海流模块、母船仿真模块和ROV仿真模块数据，基于梁模型计算脐带缆和系缆的形态和张力，基于杆元模型计算中继器位姿。所述的ROV仿真模块接收海流模块、脐带缆仿真模块和机械臂仿真模块，基于六自由度非线性操纵性模型计算和控制ROV的位姿。所述的机械臂仿真模块接收ROV仿真模块的数据，基于Newton-Euler法建立的动力学模型计算关节速度、加速度和受力。
本发明进一步解决的技术问题是，所述ROV操纵系统，包括ROV操控模块、ROV电缆管理系统控制模块、ROV视景模块。所述的ROV操控模块用于ROV操作员与ROV之间的交互，组件包括ROV控制杆、领航员操控屏、五(七)功能机械手控制手柄、动力控制面板、摄影机调整手柄。所述的组件分别控制ROV姿态、监视姿态声纳罗经、控制五(七)功能机械臂、监视推进器状态、调整ROV摄影机视角。所述的ROV电缆管理系统(TMS)控制模块控制A型架和TMS的脐带缆和系缆收放，组件包括绞车控制面板、绞车控制杆、TMS控制滑块、领航员操控屏。所述的组件分别修改绞车速度、控制系缆收放、控制TMS收放、监视系缆脐带缆和TMS状态。ROV视景模块接收仿真平台解算系统和摄影机调整手柄数据，显示ROV第一视角。
本发明进一步解决的技术问题是，所述显示系统包括模型仿真和环境仿真模块。模型仿真模块根据仿真平台解算系统传入的母船、TMS和ROV的六自由度运动信息，以及系缆与脐带缆形态和运动信息，实时动态渲染作业场景；环境仿真模块根据海洋环境模拟系统传入的海况信息，建立海洋效果和大气效果。
本发明教员控制系统发布训练科目，在训练中干预仿真平台设备和作业系统参数，并可设置故障和突发情况，训练操作员的应变能力。布置人造的水下结构物如水下采油树、管汇、水下防喷器、海管和基盘的位置和初始状态。海洋环境模拟系统发布海流、海浪和海风环境，并可设置特殊海洋环境情况，训练操作员的应变能力，输入显示系统进行海洋环境的三维显示。仿真平台解算系统接收教员控系统和海洋环境模拟系统数据，模拟海上母船和A型架运动，解算脐带缆三维运动。接收ROV操纵系统数据，计算ROV六自由度运动和机械手运动。计算水下目标的运动或形态。仿真平台解算系统输入显示系统进行，分别进行作业系统的第三视角显示和ROV视景显示。ROV操纵系统与仿真平台解算系统进行网络通信链接，用于采集操作员的操作和指令，对ROV位姿和监视器视景进行显示。显示系统接收仿真平台解算系统数据，用于显示母船、脐带缆、ROV、机械手作业状态和海洋环境的第三视角。显示系统能够改变视角位置，跟随母船和ROV的运动。本发明可应用于ROV作业人员的操作规程和水下作业技能培训，还可以实现ROV、中继器、母船、脐带缆和系缆的仿真、作业预演与评估，提高ROV作业效率，减少设备损坏的风险，解决模拟器与真实ROV水下作业实际情况不符所导致的训练效果不佳的问题。
有益效果：本发明与现有技术相比的优点为：
1.本发明的六自由度ROV作业仿真平台，包括综合控制平台、教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统，形成一个完整的ROV作业仿真系统，能够满足教学、耦合系统研究、ROV仿真实验和ROV作业训练的需求。
2.本发明的海洋环境模拟系统内包括海风模块、海浪模块、海流模块，实现真实复杂且具有随机性的海洋环境模拟，还原ROV水下作业时多体运动耦合，贴近真实ROV水下作业实际情况，解决训练效果不佳的问题。
3.本发明的仿真平台解算系统内包括主控模块、母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块，实现对ROV作业中多个相互耦合的对象的仿真。
4.本发明的仿真平台解算系统中的ROV仿真模块，基于包含了非线性非对称水动力的操纵性模型计算ROV的六自由度运动，更准确的反映ROV不对称的几何外形对于其水动力特性的影响，提高ROV运动仿真的准确性。
5.将复杂的TMS和ROV应用相同尺寸的杆元进行离散，进行布放和回收过程的仿真，每一根杆元具备所离散结构的水动力系数，包括阻力系数、惯性力系数，考虑该结构系数随浸没深度和运动频率的变化，通过莫里森方程计算杆元波浪力、阻力和砰击力等水动力，利用时域动力学模型计算结构物的运动。该方法可以考虑了浸没深度和构建对局部或全局水动力的干扰，更准确的计算TMS和ROV在逐渐入水过程中时-频变化动力学响应。
附图说明
图1是六自由度ROV作业仿真平台结构图；
图2是教员控制系统结构图；
图3是海洋环境模拟系统结构图；
图4是仿真平台结算系统结构图；
图5是仿真平台耦合动力学模型；
图6是ROV操纵系统结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图6所示，一种六自由度ROV作业仿真平台包含四大部分：HLA分布式集成开发框架、系统输入模块、实时仿真模块和系统输出模块，系统输入模块包括综合控制平台和教员控制系统，实时仿真模块包括海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统，系统输出模块包括显示系统和数据库储存系统；各系统通过运行时间支撑系统RTI提供接口规范中所描述的各项服务，RTI负责系统间的通信以实现互操作，其中：
所述综合控制平台通过网络开启教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统；所述教员控制系统发布训练科目，在训练中干预仿真平台设备和作业系统参数，并可设置故障和突发情况，训练操作员的应变能力，布置人造的水下采油树、管汇、水下防喷器、海管和基盘的位置和初始状态；
所述海洋环境模拟系统发布海流、海浪和海风环境，并可设置海洋环境情况，训练操作员的应变能力，输入显示系统进行海洋环境的三维显示；
所述仿真平台解算系统接收教员控制系统和海洋环境模拟系统数据，模拟海上母船和A型架运动，解算脐带缆三维运动；接收ROV操纵系统数据，计算ROV六自由度运动和机械手运动；计算水下目标的运动或形态。仿真平台解算系统输入显示系统进行，分别进行作业系统的第三视角显示和ROV视景显示；
所述ROV操纵系统与仿真平台解算系统进行网络通信链接，用于采集操作员的操作和指令，对ROV位姿和监视器视景进行显示；
所述显示系统接收仿真平台解算系统数据，用于显示母船、脐带缆、ROV、机械手作业状态和海洋环境的第三视角，显示系统能够改变视角位置，跟随母船和ROV的运动。
一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，包含的步骤如下：步骤一：综合控制平台通过网络开启教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统。在作业仿真平台运行过程中监视硬件运行情况，确保ROV作业仿真过程中硬件设备安全稳定运行。
步骤二：根据教练员指令，如图2所示，教员控制系统包含的步骤如下：
1教员控制系统发布训练科目：确定训练海域和环境，包括参考高度、参考高度处一小时平均风速、频率；有义波高、特征周期、方向扩展函数；水深、潮流速度。发布母船、ROV、TMS初始位置和姿态。布置作业任务，包括训练场景、水下人造结构物、训练时间的参数设置。
2监控训练过程，在ROV作业仿真平台运行时，为教员操作控制训练开始、暂停、继续、结束等，完成一次完整的ROV作业模拟训练；
3设置突发情况，包括：海洋和大气环境突变、ROV作业系统设备故障。
4评价与复现，包括记录训练过程、根据ROV作业仿真过程记录数据进行驾驶员操作综合评价、加载记录的训练过程等操作功能；
步骤三：海洋环境模拟系统，包括海风模块、海浪模块、海流模块、显示模块，如图3所示，包含的步骤如下：
1海风模块根据教员控制系统发布的参考高度、参考高度处一小时平均风速、频率，生成风谱，计算风速分布时历。
2海浪模块根据教员控制系统发布的有义波高、特征周期、方向扩展函数，生成波浪谱和方向谱，计算波浪高程时历
3海流模块根据风速计算风速诱导流速分量，根据教员控制系统发布的水深、潮流速度计算流速分布时历。
4显示模块根据教员控制系统传入的大气和海况数据，建立晴天、雨天、雾天等天气效果，模拟太阳、月亮、天穹、光照、地平线等效果；根据海浪模块的数据，建立海洋效果，包括波面起伏、日光/月光照射下的海洋颜色。
步骤四：仿真平台解算系统内包括主控模块、母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块，包含的步骤如下：
1主控模块用于ROV作业仿真平台的运行调度和数据管理，如图5所示；所述母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块的信号输出端与主控模块的信号输入端连接，用于模拟母船、TMS和ROV的姿态和操作。所述的母船仿真模块接收海洋环境模拟系统和脐带缆仿真模块的数据，基于时域船舶耐波性方程计算母船和A型架的运动和位置。所述的脐带缆仿真模块接收海流模块、母船仿真模块和ROV仿真模块数据，基于梁模型计算脐带缆和系缆的形态和张力，基于杆元模型计算中继器位姿。所述的ROV仿真模块接收海流模块、脐带缆仿真模块和机械臂仿真模块数据，基于六自由度非线性非对称操纵性模型计算和控制ROV的位姿。所述的机械臂仿真模块接收ROV仿真模块的数据，基于Newton-Euler法建立的动力学模型计算关节速度、加速度和受力。
2建立母船数学模型：
母船仿真模块基于时域耐波性方程计算母船运动，母船速度从随体坐标系到耐波性坐标系中的变换：
式中：
和η为母船在耐波性坐标系中的速度与位移，/>
和/>
分别为线速度和角速度；JΘ(η)为母船在耐波性坐标系和随体坐标系间的变换矩阵；v0为母船在随体坐标系中的速度。
在随体坐标系建立母船的六自由度动力学模型：
式中：M0为母船质量和附加质量的和；CRB0和CA0分别为刚体和流体的向心力和科里奥利力矩阵；D0为阻尼矩阵；K0(t-τ)为时延函数，其中t为仿真时间，γ为积分变量；U为母船的纵向航速；e1为纵向单位向量；G0为母船的刚度矩阵；τwind0为风载荷；τwave0为波浪载荷；vr0为母船在随体坐标系中与海流的相对速度；τcable0为脐带缆的张力，在耐波性坐标系方向下表示为：
τcable0＝[Fx0,Fy0,Fz0,Fz0yf0-Fyzf0,F0zf0-Fz0xf0,Fy0xf0-Fx0yf0]T (3)
其中Fx0,Fy0,Fz0为脐带缆顶端在耐波性坐标系方向下的张力，通过基于梁模型的脐带缆仿真模块计算，(xf0,yf0,zf0)为A型架顶端相对母船重心在耐波性坐标系方向下的坐标。A型架顶端在耐波性坐标系下的线速度为：
其中U0,V0,W0分别为耐波性坐标系中A型架顶端纵向、横向和垂向速度，r为A型架顶端的矢径，
和/>
分别为母船随体坐标系下的线速度和角速度。
3脐带缆仿真模块基于梁模型，采用有限差分方法计算脐带缆和系缆的形态、TMS两端张力和A型架端的张力τcable0。
1)建立脐带缆和系缆的梁模型：
式中：Y为脐带缆轴向应变ε、法向应力Sn、切向应力Sb、轴向速度u、法向速度v、切向速度w、微元的轴向和法向转角φ和θ、扭转率Ω1、法向曲率Ω2、切向曲率Ω3组成的向量；s为脐带缆微元长度；t为仿真时间；H为与脐带缆微元质量、附加质量、直径、微元的轴向和法向转角、速度和轴向应变相关的系数矩阵；P为与质量、速度、刚度有关的系数矩阵；Q为与Sn、Sb、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、流速、阻力系数、刚度等有关的向量。
2)建立脐带缆和系缆的边界条件
脐带缆顶端为母船，底端为TMS，在耐波性坐标系方向下的顶端和底端的张力为：
其中Fx(0,n),Fy(0,n),Fz(0,n)分别为耐波性坐标系纵向、横向和垂向张力，E为脐带缆的杨氏模量，A为脐带缆的横剖面面积，下标(0,n)代表底端或顶端的参数，0代表顶端参数，n代表底端参数。
脐带缆两端与A型架顶端和TMS连接处的速度一致，脐带缆两端速度在耐波性坐标系方向下为：
其中Ut(0,n),Vt(0,n),Wt(0,n)分别为耐波性坐标系纵向、横向和垂向速度。系缆与脐带缆的边界条件计算方法相似，系缆顶端和末端分别为TMS和ROV。
3)建立系缆和脐带缆的有限差分模型：
式中：αh和αp为差分系数；Hi和Hi-1为前后微元与脐带缆微元与质量、附加质量、直径、微元的轴向和法向转角、速度和轴向应变相关的系数矩阵；Pi和Pi-1为前后微元与脐带缆微元与质量、速度、刚度有关的系数矩阵；Qi和Qi-1为前后微元与Sn、Sb、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、流速、阻力系数、刚度等有关的向量；Yi和Yi-1为前后微元的向量Y；Δt为时间步长；Δs为微元长度。
4)基于杆元模型计算TMS和ROV布放水动力，杆元的动力学模型：
式中：M1为TMS质量和附加质量的和；C1为TMS的向心力和科里奥利力矩阵；D11和D21为一阶和二阶水动力系数；K1(x)为TMS的刚度矩阵；q1r为TMS受到的流载荷；q1cable和q1tether分别为脐带缆底端和系缆顶端的张力，计算方法与公式一致；x为位移；
为速度；/>
加速度；t为仿真时间。杆元的水动力系数根据离散结构的形式和遮蔽关系(圆柱或平板等)确定，计及依赖深度变化的水动力特性。该模型相比于固定水动力系数进行时域仿真的方法，考虑了TMS和ROV结构间的相互影响和浸深的影响，更准确的计算TMS和ROV穿过自由液面过程的水动力。
4ROV仿真模块基于非线性非对称操纵性方程计算ROV的运动，ROV六自由度动力学模型：
式中：MRB2为ROV的质量矩阵；CRB2ROV的向心力和科里奥利力矩阵；MA2为ROV的附加质量矩阵，包含主对角线和非对角线附加质量和附加惯性矩共36个；N2为阻力系数矩阵；g2为恢复力矩阵；τ2thrust为推进器推力；τ2tether为系缆张力，计算方法与公式一致；τ2manipulator为机械臂基座对ROV的受力；v2为ROV速度；
为加速度；vr2ROV相对海流的速度；/>
为相对加速度。
所述的N2表达为非对称水动力，具体为：
式中Fvv和Fv|v|分别为二阶对称和非对称水动力系数。
5机械臂仿真模块的正运动学包括在给定线性运动的情况下，求机械臂的滚转角。可以使用Denavit-Hartenbert符号来建立运动学模型的广义坐标，通过牛顿迭代方法计算。逆运动学包括，给定连杆的滚动转角度，求末端的线性运动。机械臂连杆的非线性动力学模型为：
式中Mi为连杆i的附加质量矩阵；Ci为连杆i的流体向心力和科氏力矩阵；Gi(qi)为连杆i的恢复力矩阵；τDi为连杆i受到的阻尼；τi为机械臂驱动力；
qi分别为连杆i的角加速度、角速度和转动角度。机械臂的边界条件为基座与ROV端部速度相等，ROV受到机械臂基座n的力为：
式中字符含义与式相同，下标j和k分别代表第j和k连杆。
步骤五：ROV操纵系统，如图6所示，包括ROV操控模块、ROV电缆管理系统控制模块、ROV视景模块。所述ROV操控模块包括ROV本体操控模块和机械手操控模块分别控制ROV和机械手运动；所述ROV电缆管理系统控制模块包括脐带缆收放系统和系缆收放控制，分别操控A型架和TMS的收放活动；ROV操纵系统将数字量输入输出信号和模拟量输入信号通过系统处理器解算为相应的工程量，实现人与设备的交互式仿真。
为了验证本发明方法的有效性和效果，举例进行说明，该实例包含以下步骤：
1手动启动综合控制平台，并通过网络远程启动教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统等，检查各系统软硬件是否稳定运行，并继续检测仿真平台的运行过程。
2待系统启动后，教练员操作教员控制系统，输入ROV作业海域的大气和海洋环境。确定母船、ROV、TMS初始位置和姿态，布置作业任务，包括训练场景、水下人造结构物、训练时间的参数设置。然后开始运行ROV作业仿真平台，结合显示系统监视ROV仿真训练过程。在ROV作业仿真过程中，教员可根据需要暂停、继续、结束仿真，或设置海洋和大气环境突变、ROV作业系统设备故障等突发状况。
3海风模块根据教员指令，通过海浪模块、海浪模块、海流模块分别建立ROV作业海域的风场、波浪、海流，获得风速分布时历、波浪高程时历、流速分布时历，数据传入仿真平台解算系统中响应模块。显示模块根据教员控制系统传入的大气和海况数据，建立晴天、雨天、雾天等天气效果，模拟太阳、月亮、天穹、光照、地平线等效果；根据海浪模块的数据，建立海洋效果，包括波面起伏、日光/月光照射下的海洋颜色。
4仿真平台解算系统中母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块接收教员发布的仿真初始信息，结合海风模块计算的环境数据，分别基于时域耐波性方程计算母船运动、基于梁模型和杆元模型计算脐带缆和系缆的形态和张力和TMS运动、基于非线性非对称操纵性方程计算ROV的运动、基于Newton-Euler法建立动力学模型计算机械臂运动。主控模块调度其他模块的运行，管理数据各模块之间的数据传递。
5教练员发布开始仿真指令后，驾驶员通过ROV操纵系统，利用脐带缆收放系统控制A型架释放脐带缆。待ROV和TMS达到作业任务预定深度后，驾驶员利用ROV本体操控模块和系缆收放控制模块控制ROV运动和TMS释放系缆。待ROV到达水下目标附近，驾驶员利用机械手操控模块控制机械手运动完成水下作业。作业任务完成后，驾驶员通过ROV操纵系统回收系缆、ROV、TMS。仿真过程中驾驶员通过ROV视景模块观察ROV周围环境。
6教员结束作业仿真，利用教员控制系统记录的作业过程进行驾驶员操作综合评价，或进行加载记录的训练过程等操作。
7训练和评价结束后，综合控制平台关闭各系统，整个仿真平台使用结束。
本发明可以根据ROV水下作业训练需求任意搭配不同环境、作业对象下的各种作业任务，尽可能还原ROV、TMS、母船及系缆和脐带缆在水下作业中的实际操作效果，使驾驶员获得更好的驾驶代入感。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，该仿真平台包含四大部分：HLA分布式集成开发框架、系统输入模块、实时仿真模块和系统输出模块，系统输入模块包括综合控制平台和教员控制系统，实时仿真模块包括海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统，系统输出模块包括显示系统和数据库储存系统；各系统通过运行时间支撑系统RTI提供接口规范中所描述的各项服务，RTI负责系统间的通信以实现互操作，其中：
所述综合控制平台通过网络开启教员控制系统、海洋环境模拟系统、仿真平台解算系统、ROV操纵系统、显示系统；所述教员控制系统发布训练科目，在训练中干预仿真平台设备和作业系统参数，并可设置故障和突发情况，布置人造的水下采油树、管汇、水下防喷器、海管和基盘的位置和初始状态；
所述海洋环境模拟系统发布海流、海浪和海风环境，并可设置海洋环境情况，输入显示系统进行海洋环境的三维显示；
所述仿真平台解算系统接收教员控制系统和海洋环境模拟系统数据，模拟海上母船和A型架运动，解算脐带缆三维运动；接收ROV操纵系统数据，计算ROV六自由度运动和机械手运动；仿真平台解算系统输入显示系统进行，分别进行作业系统的第三视角显示和ROV视景显示；
所述ROV操纵系统与仿真平台解算系统进行网络通信链接，用于采集操作员的操作和指令，对ROV位姿和监视器视景进行显示；
所述显示系统接收仿真平台解算系统数据，用于显示母船、脐带缆、ROV、机械手作业状态和海洋环境的第三视角；
所述数据库储存系统包括母船、缆索、TMS和ROV仿真状态数据、网络传输、航迹曲线、速度曲线的数据库存储和实时绘制，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：依据母船型线计算母船水动力系数和时延函数，依据母船布置和A型架位置建立时域运动方程，
式中：M0为母船质量和附加质量的和；CRB0和CA0分别为刚体和流体的向心力和科里奥利力矩阵；D0为阻尼矩阵；K0(t-τ)为时延函数，其中t为仿真时间，γ为积分变量；U为母船的纵向航速；e1为纵向单位向量；G0为母船的刚度矩阵；τwind0为风载荷；τwave0为波浪载荷；vr0为母船在随体坐标系中与海流的相对速度，τcable0为脐带缆的张力，其在耐波性坐标系方向下标示为：
τcable0＝[Fx0,Fy0,Fz0,Fz0yf0-Fyzf0,F0zf0-Fz0xf0,Fy0xf0-Fx0yf0]T (2)
其中Fx0,Fy0,Fz0为脐带缆顶端在耐波性坐标系方向下的张力，通过基于梁模型的脐带缆仿真模块计算，(xf0,yf0,zf0)为A型架顶端相对母船重心在耐波性坐标系方向下的坐标，A型架顶端在耐波性坐标系下的线速度为
其中U0,V0,W0分别为耐波性坐标系中A型架顶端纵向、横向和垂向速度，r为A型架顶端的矢径，
和/>
分别为母船随体坐标系下的线速度和角速度；
步骤二：脐带缆和系缆采用梁模型建立有限差分模型，计算形态和两端张力：
建立脐带缆和系缆的梁模型：
式中：Y为脐带缆轴向应变ε、法向应力Sn、切向应力Sb、轴向速度u、法向速度v、切向速度w、微元的轴向和法向转角φ和θ、扭转率Ω1、法向曲率Ω2、切向曲率Ω3组成的向量；s为脐带缆微元长度；t为仿真时间；H为与脐带缆微元质量、附加质量、直径、微元的轴向和法向转角、速度和轴向应变相关的系数矩阵；P为与质量、速度、刚度有关的系数矩阵；Q为与Sn、Sb、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、流速、阻力系数、刚度有关的向量；
步骤三：建立耦合模型中脐带缆和系缆的边界条件：
1)力学边界：脐带缆和系缆与母船、TMS和ROV相连，在耐波性坐标系方向下，母船、TMS和ROV受到的脐带缆或系缆顶端的张力为：
其中Fx(0,n),Fy(0,n),Fz(0,n)分别为耐波性坐标系纵向、横向和垂向张力，E为脐带缆的杨氏模量，A为脐带缆的横剖面面积，下标(0,n)代表底端或顶端的参数，0代表顶端参数，n代表底端参数；
2)运动边界：脐带缆两端与A型架顶端和TMS连接处的速度一致，系缆两端与ROV和TMS速度一致，脐带缆或系缆两端速度在耐波性坐标系方向下为：
其中Ut(0,n),Vt(0,n),Wt(0,n)分别为耐波性坐标系纵向、横向和垂向速度，系缆与脐带缆的边界条件计算方法相似，系缆顶端和末端分别为TMS和ROV；
3)建立系缆和脐带缆的有限差分模型：
式中：αh和αp为差分系数；Hi和Hi-1为前后微元与脐带缆微元与质量、附加质量、直径、微元的轴向和法向转角、速度和轴向应变相关的系数矩阵；Pi和Pi-1为前后微元与脐带缆微元与质量、速度、刚度有关的系数矩阵；Qi和Qi-1为前后微元与Sn、Sb、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、流速、阻力系数、刚度的向量；Yi和Yi-1为前后微元的向量Y；Δt为时间步长；Δs为微元长度；
步骤四：考虑系缆和脐带缆的张力影响下利用杆元模型建模系缆管理系统：
式中：M1为TMS质量和附加质量的和；C1为TMS的向心力和科里奥利力矩阵；D11和D21为一阶和二阶水动力系数；K1(x)为TMS的刚度矩阵；q1r为TMS受到的流载荷；q1cable和q1tether分别为脐带缆底端和系缆顶端的张力，计算方法与公式一致；x为TMS的位移；
为TMS的速度；/>
为TMS的加速度；t为仿真时间；杆元的水动力系数根据离散结构的形式和遮蔽关系确定，计及依赖深度变化的水动力特性；
步骤五：非线性ROV操纵性方程，考虑系缆张力和机械臂的影响：
式中：MRB2为ROV的质量矩阵；CRB2ROV的向心力和科里奥利力矩阵；MA2为ROV的附加质量矩阵，包含主对角线和非对角线附加质量和附加惯性矩共36个；N2为阻力系数矩阵；g2为恢复力矩阵；τ2thrust为推进器推力；τ2tether为系缆张力，计算方法与公式一致；τ2manipulator为机械臂基座对ROV的受力；v2为ROV速度；
为加速度；vr2ROV相对海流的速度；/>
为相对加速度；
所述的N2表达为非对称水动力，具体为：
式中Fvv和Fv|v|分别为二阶对称和非对称水动力系数；
步骤六：建立考虑ROV位姿的机械臂动力学模型：
机械臂仿真模块的正运动学包括在给定线性运动的情况下，求机械臂的滚转角，使用Denavit-Hartenbert符号来建立运动学模型的广义坐标，通过牛顿迭代方法计算；逆运动学包括，给定连杆的滚动转角度，求末端的线性运动；机械臂连杆的非线性动力学模型为：
式中Mi为连杆i的附加质量矩阵；Ci为连杆i的流体向心力和科氏力矩阵；Gi(qi)为连杆i的恢复力矩阵；τDi为连杆i受到的阻尼；τi为机械臂驱动力；
qi分别为连杆i的角加速度、角速度和转动角度，机械臂的边界条件为基座与ROV端部速度相等，ROV受到机械臂基座n的力为：
式中字符含义与式相同，下标j和k分别代表第j和k连杆。
2.根据权利要求1所述的六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，其特征在于：所述仿真平台解算系统内包括主控模块、母船仿真模块、脐带缆仿真模块、ROV仿真模块、机械臂仿真模块，其中：
所述的母船仿真模块接收海洋环境模拟系统和脐带缆仿真模块的数据，基于时域船舶耐波性方程计算母船和A型架的运动和位置；
所述的脐带缆仿真模块接收海流模块、母船仿真模块和ROV仿真模块数据，基于梁模型和有限差分方法计算脐带缆和系缆的形态和张力，基于杆元模型计算中继器TMS位姿；
所述的ROV仿真模块接收海流模块、脐带缆仿真模块和机械臂仿真模块数据，基于六自由度非线性非对称操纵性模型计算和控制ROV的位姿；
所述的机械臂仿真模块接收ROV仿真模块的数据，基于Newton-Euler法建立的动力学模型计算关节速度、加速度和受力。
3.根据权利要求1所述的六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，其特征在于：所述ROV操纵系统包括ROV操控模块、ROV电缆管理系统控制模块、ROV视景模块，其中：
所述ROV操控模块包括ROV本体操控模块和机械手操控模块分别控制ROV和机械手运动；
所述ROV电缆管理系统控制模块包括脐带缆收放系统和系缆收放控制，分别操控A型架和TMS的收放活动；
ROV操纵系统将数字量输入输出信号和模拟量输入信号通过系统处理器解算为相应的工程量，实现人与设备的交互式仿真。
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Application publication date: 20230425 Assignee: Enshobo (Guangzhou) Technology Co.,Ltd. Assignor: HARBIN ENGINEERING University Contract record no.: X2024980001468 Denomination of invention: A Method for Building a Six Degree of Freedom ROV Operation Simulation Platform Granted publication date: 20230707 License type: Common License Record date: 20240126 |