NO336097B1 - Undervannsfarkost - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et undervannsfartøy for operasjon på en nedsenket overflate på et nedsenket legeme, slik som et skipsskrog under vannlinjen, eller en undervannsinstallasjon, som anført i ingressen til de medfølgende patentkravene.

Bakgrunn for oppfinnelsen.

Marin begroing på skipsskrog krever konstant vedlikehold når det gjelder inspeksjon og rengjøring. Ansamlingen av marin begroing øker motstandskrefter og forårsaker ekstra drivstofforbruk. Studier har vist at drivstofforbruket til ulike typer skip kan øke med opptil 40 % etter seks måneder i tempererte vann (Woods Hole Oceanographic Institution 1952). Som et eksempel kan drivstofforbruket til ulike typer skip øke med 35 % til 40 % for å opprettholde en hastighet på 20 knop etter 6 måneder i tempererte vann. Periodisk inspeksjon og fjerning av marin begroing kan redusere både skipets driftskostnader og uønskede miljøpåvirkninger betydelig.

I de senere år har fjernstyrte farkoster (ROV-er) gradvis erstattet tradisjonelt manuelt arbeid gjort av dykkere når det gjelder inspeksjon og rengjøring av skipsskrog som vist i figur 1. Fjerningen av begroing gjøres generelt med børste eller vannstråle. Disse robotplattformene manøvreres enten i fritt vann eller festet til overflaten med støttehjul (Bohlanderetall992).

Markedet krever et produkt som kan bevege seg på komplekse overflater, og fraværende eller begrenset manøvrerbarhet i fritt vann. Vurderinger for et produkt som vil oppfylle kravene, er å tilveiebringe en universell robotplattform i stedet for en spesialisert skrogrengjører, minimere repetitiv utforming fra nåværende kommersielle produkter, og potensial for moderne teknologi når det gjelder sensor og kontroll.

Publikasjon JP2011-88485A (JP5099788B2) vedrører en undervanns rengjøringsinnretning fra hvilken et vedheng som var tilveiebrakt med en thruster som beveger en hovedinnretning til høyre og venstre, kan beveges under vann, og begroing festet til en veggoverflate under vann fjernes. Et hjul gjør en hovedinnretning bevegelig.

Publikasjon WO2010/040171 Al vedrører en undervanns in-situ nettrengjører omfattende et glidechassis (1) (eng.: skid chassis) tilpasset for jevn og snarefri glidning over nettets (2) overflate, et oppdriftsmiddel (3) assosiert med chassiset for å tilveiebringe rengjøreren med oppdrift, et drivmiddel (4) tilpasset for å samarbeide med nettet (2) og manøvrere rengjøreren rundt på nettets overflate, et fremdriftsmiddel (5) tilpasset for å drive rengjøreren frem på og opprettholde kontakt med nettet (2) og et rengjøringsmiddel (6) tilpasset for å fjerne urenheter fra nettet inkludert marin begroing fra nettets overflate for å rengjøre nettet.

Publikasjon EP0716006A2 og vedrører NO20101673A1 vedrører undervannsfartøyer for rengjøring av skipsskrog.

Formål med oppfinnelsen.

Oppfinnelsens formål er å tilveiebringe et allsidig undervannsfartøy med en utforming som tar hensyn til miljø, ulike driftskrav og effektiv komponent-layout, bevegelsesovergangs påvirkning på utforming og kontroll, stillingskontrollstrategi på krummede overflater for å optimalisere stilling i henhold til overflate og vann og for å sette opp fremoverreguleringssløyfer for å forbedre kontrollerintegrasjon, og stillingsbestemmelse som involverer forening av sensorer, slik som f. eks. treghetsbestemmelsessensorer og ultrasoniske sensorer. Følgelig er et formål med utformingen til undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en universell plattform for å utføre inspeksjon og vedlikehold på komplekse krumminger på skipsskrog. I en typisk, velkjent frirtflyvende ROV er de viktigste bevegelsesaksenejag, svai, hiv, stamp, gir og rull. Et ytterligere formål med undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et undervannsfartøy som ikke krever et fullt utvalg av disse bevegelsene, men med avansert manøvrerbarhet som har enklere utforming når det gjelder de vanlige anvendte separate eller koblede aktuatorene for å kontrollere alle disse bevegelsene. Med hensyn til miljø, krav og komponent-layout vurderes tilpasning til topologien på skipets akterstavn og baug, og optimalisering av plasseringen av thrustere, og av allokering av oppdrift og ballast, samtidig som stabilitet tas med i beregningen, som kan påvirke balansen på overflaten det skal arbeides på. Når det gjelder innvirkningen av bevegelsesovergang på utforming og kontroll, tar utformingen med i beregningen at rotasjonssenter er CG i vann eller kontaktpunkt på overflate, avhengig av den faktiske modusen, og skiftet av manøvermodus ved f.eks. festeidentifikasjon. Stillingskontrollstrategi vurderer hvilken 0 som skal beholdes, siden vinkelen 9 kan utledes fra treghetsbestemmelsessensorer og kompass, men magnetfeltforvrengning kan forårsakes av et skipsskrog, elektriske motorer og magnetiske hjul, eller vinkelen 0' kan utledes fra ultrasoniske sensorer eller tilleggshjul. Enkle handlinger som hamring, sveising og enhver vibrasjon under konstruksjon eller reparasjoner mens skipet er i jordens magnetfelt gjør at båten blir permanent magnetisert, og skipet kan oppføre seg som en stor stavmagnet. Sensorfusjon- og filtervurderinger kan involvere utnyttelse av f.eks. en treghetsbestemmelsesenhet, eller IMU, for måling og rapportering av farkostens hastighet, orientering og tyngdekrefter, ved å anvende en kombinasjon av akselerometre og gyroskoper, noen ganger også magnetometre.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et undervannsfartøy som kan opereres i en første modus for frisvømming og en andre modus for klatring på en nedsenket overflate på en gjenstand, hvis trekk er anført i det medfølgende selvstendige patentkravet 1.

Trekk av spesifikke utførelsesformer av undervannsfartøyet ifølge oppfinnelsen er anført i de medfølgende uselvstendige patentkravene 2-10.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen.

Undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen omfatter en flermodusplattform som inkluderer et mekatronisk system, som arver sterke dynamiske egenskaper og krever kompetente kontrollskjemaer. Operasjonen i "svømmemodusen" er i noen aspekter beslektet med bevegelsen av en konvensjonell ROV, mens de dynamiske egenskapene under "vognmodus"-operasjon skiller seg betydelig fra dem til en konvensjonell ROV. For en studie eller analyse av ytelse, og beskrivelse av operasjonsmodusene på generell form, kan en enkelt thruster representere en flerhet thrustere i et faktisk undervannsfartøy 1 som innbefatter trekkene i den foreliggende oppfinnelsen.

Undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen er utformet som en universell plattform for å utføre inspeksjon og vedlikehold på komplekse krumminger på skipsskrog 2. Dets primære bevegelsesmodus, heretter omtalt som "vognmodus", er å feste seg til en overflate på et skipsskrog eller lignende overflate på et nedsenket legeme 2, med to magnetiske hjul 200a, 200b, ledsaget av én vektorstyrt thruster 300, eller et par med vektorstyrte thrustere 300a, 300b, for å drive frem og balansere legemet. I vognmodusen blir fartøyet stående i ulike stillinger i forhold til overflaten. Tilbakeføringsmomentet som forårsakes av paret av oppdriften og tyngdekraften kompenseres for av thrusterne, for å holde fartøyet i den forventede stillingen. "Frisvømme"-modusen er den sekundære bevegelsesmodusen til undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen, typisk anvendt når robotundervannsfartøyet 1 ifølge oppfinnelsen først utplasseres på et sted borte fra overflaten på skipsskroget 2, når det kommer inn i en vanskelig situasjon, slik at roboten kan manøvrere i åpent vann ved å utnytte thrusterne sine. I frisvømmemodus plasserer fartøyet 1 sitt XT-plan i det horisontale planet. I denne situasjonen ballastes tyngdepunktet atskilt fra oppdriftspunktet. Plasseringen av oppdriftspunktet bestemmes generelt av fartøyets totale nedsenkede geometri, men et middel for oppdriftskontroll er også overveid. Et tilbakeføringsmoment, forårsaket av den sideforskj øvede oppdriften og tyngdekraften, dannes når fartøyet ikke ligger i det horisontale planet.

Balanseringsbevegelsen oppnås generelt ved en ombordkontroller til fartøyet 1 ifølge oppfinnelsen.

Fartøyet 1 ifølge oppfinnelsen manøvreres fordelaktig av mennesker over vann gjennom et tjor. Den menneskelige manøverinputen inkluderer, men er ikke begrenset til, bytte av kontrollmodus, bevegelses- og styringskommandoer, og innretningskonfigurasjoner. Fartøyet sender også data og video til mennesket gjennom tjoret.

Kontrollskjemaet som er overveid, omfatter en kontroller, slik som f.eks. i systemet illustrert i figur 12a eller figur 12b. Kontrolleren håndterer den menneskelige operatørens kommando- og manøverinput og styrer bevegelsen av hver aktuator i henhold til kontrollskjemaet for hver arbeidsmodus. I svømmemodusen drives fartøyet frem av thrusterne sine, som styres av kontrolleren under menneskelig kommando. I klatremodusen tilpasses kontrolleren til den krummede overflaten den arbeider på, tilveiebrakt med et kontrollskjema for manøvrering og navigering på komplekse overflater. Kontrolleren kan bytte mellom de to bevegelsesmodusene som har spesifikke kontrollskjemaer i fritt vann og på overflaten.

Balanseringsbevegelsen oppnås ved servokontrollen av orienteringen til skyvekraften tilveiebrakt av en eller flere thrustere 300. En mulig løsning er å ha en thruster med fiksert orientering, mens robotens stilling kontrolleres ved å justere propellhastigheten. Men på grunn av tregheten til thrusterens 300 motor 310 og propell 320, og til fluidet, synes reaksjonen på endringen av propellhastighet ikke å være så rask som endringen av thrusterens orientering. Derfor har en første utforming av undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen i en fordelaktig utførelsesform kun tatt i bruk en

vektorstyrt thruster, som illustrert i den medfølgende figuren 2.

Men for å tilveiebringe mer tilstrekkelig og balansert fremdrift, er det i en annen fordelaktig utførelsesform foreslått et dobbelvektorstyrt thrusterskjema, som illustrert i figur la-ld. En fordel med symmetriske vektorstyrte thrustere er den mer effektive manøvreringen i girbevegelse.

For en geometrisk og dynamisk analyse antar vi at origo for legeme-koordinaten samsvarer med massesenteret, som antas å være i et sentralt lokalisert symmetriplan for utformingen. Hvis thrusterne er plassert på Y-aksen, er derfor den resulterende kraften av disse to thrusterne i et plan som skjærer massesenteret når de to thrusterne produserer lik skyvekraft ved samme orientering. Roboten vil kun ha overgangsbevegelse i XZ-planet. Med andre ord vil roboten ikke kunne justere stillingen hvis det er noen forstyrrelse i XZ-planet. På den andre siden, på grunn av flat form på legemet til undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen, kan ballasten og oppdriften fortsatt ikke tilveiebringe tilfredsstillende moment.

Thrusterne plasseres endelig borte fra tyngdepunktet. Følgelig kan fremdriften til

hver thruster dannes i en hvilken som helst retning i planet som ligger parallelt med YZ-planet og samsvarer med propellens senter, med full drivkraft i rotasjonsbevegelser, og én drivkraft langs X-aksen.

Differensialskyvekraftorienteringen vil resultere i rullmomentet, og differensialskyvekraftintensiteten resulterer i girmoment. Stamp-, rull- og girbevegelsene defineres som rotasjonsbevegelsene om henholdsvis X-, Y- og Z-aksen, vist i figur 15a.

I det følgende vil den foreliggende oppfinnelsen bli forklart mer detaljert i form av eksempler og med henvisning til de medfølgende tegningene, der

Figur la er en perspektivrisstegning som illustrerer en første utførelsesform av et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen som er nedsenket og opererer på en overflate på en nedsenket struktur; Figur lb er et perspektivriss som detaljert tegner den første utførelsesformen av et undervannsfartøy illustrert i figur la, med delvis gjennomsiktige legemeelementer; Figur lc er et perspektivriss som detaljert tegner den første utførelsesformen av et undervannsfartøy illustrert i figur la og lb, med et stillingsfølende element; Figur lc er et sideriss av et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen, som er nedsenket og opererer på en overflate på en nedsenket struktur, med angivelser av oppdrifts- og tyngdepunkt; Figur 2 er en perspektivrisstegning som illustrerer en andre utførelsesform av et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen, som er nedsenket og opererer på en overflate på en nedsenket struktur; Figur 3 og 4 er perspektivrisstegninger som i form av den andre utførelsesformen illustrerer referansesystemer og -krefter som virker for å tas i betraktning i bevegelses-og stillingskontroll; Figur 5a og 5b er siderisstegninger som i form av varianter av den andre utførelsesformen illustrerer ytterligere referansesystemer og -krefter som virker fra tyngdekraft og oppdrift i ulike konfigurasjoner, for å tas i betraktning i bevegelses- og stillingskontroll; Figur 6a og 6b er skjematiske båndgraftegninger som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved henholdsvis et generelt rammeverk som viser I-felt som er nyttige for modellgjengivelse og simulering med modulerte transformerelementer MTF, og rammeverket som er spesifikt for parametere og kontrolldynamikk for et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen; Figur 7a og 7b er perspektivrisstegninger som i form av den andre utførelsesformen illustrerer henholdsvis krefter som virker på et enkelt hjul i hjulsettet, og kreftene som virker på det enkelte hjulet, translatert til krefter og moment påført på fartøyets legeme; Figur 8 er en skjematisk båndgraftegning som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved modellrepresentasjonskontrolldynamikk og - parametere relatert til det enkelte hjulet illustrert i figur 7a og 7b; Figur 9a og 9b er perspektivrisstegninger som i form av den andre utførelsesformen illustrerer henholdsvis krefter som virker ved input fra en vektorstyrt thruster, og kreftene som virker ved input fra den vektorstyrte thrusteren, translatert til krefter og moment påført på fartøyets legeme; Figur 10 er en skjematisk båndgraftegning som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved modellrepresentasjonskontrolldynamikk og - parametere relatert til thrusteren illustrert i figur 9a og 9b; Figur 11 er en skjematisk forenklet båndgraftegning som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved modellrepresentasjonskontrolldynamikk og - parametere relatert til en fluidstrømforstyrrelse på fartøyet basert på strømkraft FDst som virker på fartøyets legeme, translatert til kraft og moment påført fartøyets legeme; Figur 12a og 12b er blokkskjemategninger av et generelt kontrollskjema til et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen, henholdsvis uten og med en fremoverreguleringsanordning; Figur 13 er en første grafplottegning som illustrerer en simulering av stillingsvinkelkontroll ved kun thruster på et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen som opererer i bevegelsesmodusen under tilstander med fluktuerende fluidstrømforstyrrelse, og Figur 14 er en andre grafplottegning som illustrerer en simulering av stillingsvinkelkontroll ved både thruster og hjul på et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen som opererer i bevegelsesmodusen under tilstandene med den fluktuerende fluidstrømforstyrrelsen.

I det følgende er det beskrevet ulike utformingsaspekter, og vurderinger og fordelaktige simuleringer, for å bestemme egenskaper ved undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen.

For analyse og ytterligere forklaringer på utformingsaspekter og operasjonelle aspekter ved undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen som er tilveiebrakt i det følgende, er treghetsreferanserammen definert med X-, Y-, Z-akse og origo 0. Fartøyet er ansett som et stivt legeme med en total masse og en koordinatramme fiksert til legeme med Xb-, Yb-, Zb-akse og origo Ob. Origo o er definert i senterpunktet mellom de to hjulene, som vist i figur 3.

Koordinaten fiksert til legeme er utledet fra treghetsreferanseramme med overgangsforskyvning av Dx, Dy, Dz og Euler-vinkler 0 og (p om henholdsvis X-, Y-og Z-akse, som illustrert i figur 3, 4 og 5. Rotasjonsrekkefølgen er imidlertid i akserekkefølgen Z, Y og så X.

I tillegg, for å illustrere kontakten mellom hjulet 200 og en overflate på et nedsenket legeme 2, introduseres banekoordinaten med Xt-, Yt-, Zt-akse og origo 0t som samsvarer med origo i koordinat fiksert til legeme. I tillegg arver banekoordinaten den samme Euler-vinkelen \\ f, der dennes rotasjon først gjøres i derivasjonen av koordinat fiksert til legeme, mens akse Ztholdes vinkelrett på XY-planet, som vist i figur 3 og 4. Banekoordinaten kan ses som en mellomliggende koordinat mellom treghetsreferanserammen og koordinaten fiksert til legeme.

Chassisutformingsvurderinger.

Det henvises nå til figur la, lb, lc og 2. Chassiset eller legemet 100, som utgjør hovedlegemet av undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen, er generelt et avlangt, stivt legeme, som bidrar til fartøyets store treghet. Fartøyets legemeramme 110 er fordelaktig bygget med plastrør og platemetall. Kamre 140, 240, 340, aktuatorer og sensorer 500 er fordelaktig montert på platerammen 110 med klemmer eller festeanordninger.

En vanntett kasse 140 plassert i midten av fartøyet er utformet for å inneholde de elektriske og elektroniske innretningene, og batteri. Kassen 140 er i kommunikasjon med andre kamre 240, 340 med slange eller rør, som har signal- og strømkablene inni. En ultrasonisk sensor 500 er montert på en justerbar plattform, som innretter sensorens 500 siktlinje 550 slik at den har en vinkel som fordelaktig er på mellom 15° og 45° til en retning av en lengdeakse 150 til legemet, hvilket gjør den ultrasoniske sensoren i stand til å detektere avstanden til en overflate på et nedsenket legeme 2. Derfor utledes fartøyets stilling i forhold til overflaten.

Fartøyets totalvekt er typisk ballastet tilsvarende fartøyets 1 oppdrift når det er fullstendig nedsenket. Men når fartøyet ikke er plassert med sin lengdeakse 150 orientert bort fra den vertikale retningen, dvs. bort fra tyngdekraftens retning, fører tilveiebringelse av avstanden rgb mellom oppdriftspunktet Cb og tyngdepunktet Cg til et tilbakeføringsmoment, forårsaket av oppdrift B og tyngdekraft G, som vist i figur 5. Som vist i figur 6b sammenstiller chassislegemet all ekstern kraftinput gjennom sin 1-forbindelse (eng.: 1-junction). Disse kreftene overlagres og gjelder så I-feltet. Et resistorelement R representerer fluidet og mekanisk friksjon påført på fartøyet.

Den generelle modelleringsstrukturen til legemet til fartøyet ifølge oppfinnelsen er representert ved marint fartøy båndgrafmodell, som vist i figur 3. Treghetsmatrisen M er definert med fartøy vekt m, den skjevsymmetriske matrisen om posisjonen til tyngdepunktet rg og treghetstensoren {I}, der I er identitetsmatrisen.

Fartøyets bevegelse genereres i form av strømning i koordinatsystemet fiksert til legeme. Ved å benytte et modifisert transformatorelement MTF integreres hastighetsflyten inn i posisjon og translateres til treghetsreferanseramme for transformasjon mellom koordinat fiksert til legeme og banekoordinat.

Hiulutformingsvurderinger.

De to hjulene 200a, 200b på hver side av fartøyet 1 er fordelaktig drevet av separate servo-DC-motorsystemer 241a, 241b rommet i et hjulmotorkammer 240. Styringen oppnås med en differensialbevegelse på hjulene.

Et gummidekk på felgen til hvert av hjulene forbedrer grepet mellom fartøyet 1 og den ferromagnetiske overflaten på skipsskroget eller det nedsenkede legemet 2. Ved å velge en egnet dekktykkelse er det mulig å innstille den magnetiske kraften til å gi etter for den maksimale skyvekraften som leveres av thrusteren, og likevel tilveiebringe tilstrekkelig hjultrekkevne til å foreta krevende manøvre.

Figur 7a viser kreftene og dreiemomentet som påføres hjulet. Fxt og Fzt er henholdsvis trekkraften og normalkraften. Den laterale kraften Fyt tilveiebringer fartøyet sentripetalkraft når fartøyet snur. I figur 7b transformeres kreftene Fxt, Fyt og Fzt til kreftene med den samme størrelsen og orienteringen ved origo O, sammen med induserte momenter Mfxt, Mfyt og Mfzt, der W er fartøyets bredde, rwh er hjulets radius. Derfor viser kreftene og dreiemomentene i figur 7b kraftinputen til chassislegemet 100 fra ett hjul 200a, 200b.

Hjulaksen 250 regnes som dreiesenteret som korresponderer med en dreievinkel 9 for fartøyets 1 legeme 100 i forhold til en overflate på skipsskroget eller det nedsenkede legemet 2. Hjulet 200 påfører kraften Fwh og det induserte momentet Mwh på chassislegemet 100.

I båndgrafundermodellen vist i figur 8, som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem, drives hjulet av en modulert innsatskilde (eng.: modulated effort source) med en dreiemomentinput, som tilveiebrakt ifølge figur 6.1 tillegg er terrenget beskrevet som en modulert flytkilde (eng.: modulated flow source), som bestemmer fartøyets 1 laterale bevegelse. Kraften Fxt som induseres av moment Mwh, introduseres med en nullforbindelse (eng.: zero-junction) og en transformator som representerer hjulradiusen.

Dekket er forenklet i modellen som et klassisk fjærdempersystem mellom terrenginput og chassislegemet. Den laterale friksjonen mellom hjulet og overflaten er manipulert som en coulomb-friksjonsmodell. Derfor oppstår det ingen skrens før den laterale kraften overstiger terskelen, som bestemmes av kraften i Z-retning.

Dekktykkelsen er fordelaktig ca. 0,6 mm. Ved å velge en optimal dekktykkelse er det mulig å innstille den magnetiske kraften til å gi etter for den maksimale skyvekraften fra thrusteren, og likevel tilveiebringe tilstrekkelig trekkevne til manøvrering.

Resultatet av hjulmodellen i figur 8 er en multibånd med 3 krefter og 3 momenter etter at den er translatert av en transformator med hensyn til origo i banekoordinat.

Thrusterutformingsvurderinger.

Hjulene 200a, 200b er plassert på det som her omtales som den øvre enden av det avlange chassislegemet 100, mens den vektorstyrte thrusteren 300, eller thrusterne 300a, 300b, foretrukket er plassert på den motstående, nedre enden av chassislegemet 100. Orienteringen eller vektorstyringen av thrusterens 300, 300a, 300b skyvekraft bestemmes av en servomotor som er tilpasset for å rotere thrusteren 300 om en rotasjonsakse 350, 350a, 350b til en effektiv thrustervinkel a som typisk vil korrespondere med skyvekraftorienteringen til Zb-aksen i koordinaten fiksert til legeme, mens skyvekraftverdien kan være satt til en fast verdi som kan tilveiebringe tilstrekkelig skyvekraft til å manipulere stillingen og også drive undervannsfartøyet frem mot fluidmotstand indusert av havstrøm, som illustrert i figur 9a.

Men for å bestemme noen fordelaktige operasjonsegenskaper for undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen, er thrusteren satt til en konstant hastighet mens thrustervinkelen a tilordnes som kontrollparameteren. I situasjonen som er illustrert i figur 9b, overføres en indusert skyvekraft Fth til hjulakselen, i tillegg til et moment Mth. Balanseringsmomentet tilveiebringes så av momentet Mth, der L er lengden langs fartøylegemet fra thruster til dreieakse, og a er skyvekraftorienteringen til Zb-aksen i koordinaten fiksert til legeme. Følgelig:

En proporsjonal integrasjon derivasjon-kontroller (PID-kontroller) benyttes til å styre stillingsvinkelen eller legemevippevinkelen 9 mellom chassis og overflate, ved å aktivt justere thrusterorienteringen. Den modulerte innsatskilden, representert ved MSe i figur 10, modifiseres med en tilleggssignalinput av legemevippevinkelen 9 og skyvekraftsettpunktet. Resultatet av ikke-null generaliserte krefter, som er de resulterende kreftene og momentene som påføres fartøyet, er som følger:

Orienteringen til den vektorstyrte thrusteren kontrolleres av en aktuator, slik som f.eks. en posisjonsservomotor 341a, 341a rommet i et respektivt kammer 340, som har begrenset rotasjonshastighet. Derfor prosesseres den resulterende orienteringen fra kontrolleren av en ratebegrenser.

Utformingsvurderinger vedrørende hydrodynamiske krefter.

Effekten av hydrodynamiske krefter vurderes med hensyn til tre store bidragsytere: demping, havstrømforstyrrelse og tilbakeføringsmoment forårsaket av oppdrift og tyngdekraft.

Dempingsmodellen er forenklet som et 6 ganger 6 R-felt, forbundet med 1-forbindelsen i koordinat fiksert til legeme, som vist i figur 6.

Havstrømforstyrrelsen er definert som en tidsvariasjonskraft, som påføres på chassislegemet 100 med en avstand Ldst fra hjulakselen 250, som for modellen så transformeres til en kraft i origo med det induserte momentet Fdts<*>Ldst. Størrelsen på forstyrrelseskraften og momentet antas som en overlagring av en lavfrekvent sinusoidal bølge og gaussisk støy, som representerer henholdsvis havbølgen og tilfeldig havstrøm, som illustrert i figur 11.

Kontrollutformingsvurderinger.

I det følgende beskrives utformingen til fartøykontrollen med henvisning til figur 12a. Kontrollen av stillingsvinkel oppnås fordelaktig ved en PID-kontroller og en invers sinus-operator. PID-kontrolleren beregner det passende resulterende momentet ifølge feilen mellom settpunktvinkelen og den målte vinkelen. Invers sinus-operatoren begrenser først det beregnede momentet innen området som den vektorstyrte thrusteren kan tilveiebringe, deretter foretas transformasjon av momentet til thrusterens korresponderende orienteringsvinkel a.

Hjulkontrollen foretas av differensialoperatoren som fordeler en offset-rate på hvert hjul når styringsbevegelsen påføres. De to separate PID-kontrollerne styrer så hjulets rotasjonsrate.

Generelt forventes de induserte kreftene Twh og Fth å bli motvirket av momentet Mth og kraften Fwh. Med andre ord skal hjulene og thrusteren styres for å eliminere den uønskede bevegelsen som bringes av hver av dem. Til slutt representeres fartøyets bevegelse ved stillingsvinkelen 0, hastigheten Vxt og rotasjonsraten ootz Utformingsvurderinger vedrørende dynamisk stabilisering.

Fokuset på stabilisering er for å opprettholde dreievinkelen 0 til chassislegemet 100 som den forhåndsdefinerte verdien, også når en forstyrrelseskraft påføres på fartøyet.

I simuleringen som tilveiebringer resultatene som er illustrert i figur 13, er hjulene fiksert til den opprinnelige posisjonen. Følgelig anses fartøyet for å være forbundet til et ledd med 1 frihetsgrad. Forstyrrelseskraften påvirker dreievinkelen 0 til chassislegemet 100 ved hjelp av det resulterende forstyrrelsesmomentet. Thrusterorienteringen viser en metode for å aktivt motvirke forstyrrelsen. Som et resultat av dette skjemaet beholdes den målte dreievinkelen 0 i området [-16°, -28°] etter at dreiningen 0 er satt stabilt til - 23°.

I figur 14 vises det ved simulering bidraget fra balanseringsmomenter fra både thruster 300 og hjul 200 for å motvirke forstyrrelsesmomentet. Thrusteren 300 synes å være responsiv på variasjonen i forstyrrelsesmoment, mens bidraget fra hjulene 200 viser mindre svingning.

Ytterligere kontrollutformingsvurderinger.

Generelt har undervannsfartøyets to bevegelsesmoduser separate kontrollskjemaer, som styrer aktuatorene og sensorene under ulike organiseringer. Bevegelsesmodusens overgang fra vognmodus til frisvømmemodus, eller vice versa, indikerer å bytte fra ett kontrollskjema til det andre. I den faktiske operasjonen, når fartøyet fester seg på eller slipper fra overflaten, utløses byttet av kontrollskjemaet enten ved en kommando sendt av operatøren, eller av en sensor på fartøyet.

I svømmemodusen kontrolleres de vektorstyrte thrusterne for å drive og manøvrere fartøyet. I bunn og grunn oppnås girbevegelsen ved å holde de to thrusterne på linje med det avlange chassislegemets 100 lengdeakse samtidig som det settes ulik rate på hver thrusterpropell, hvilket resulterer i et girmoment på fartøyet. Stampbevegelsen oppnås ved å sette thrusterne i en vinkel relativt til chassiset, for derved å danne et stampmoment på fartøyet. Rullbevegelsen oppnås ved å sette thrusteren til motsatte vinkelretninger i forhold til chassiset.

Kontrolleren er fordelaktig tilpasset for å mappe disse tre grunnleggende bevegelsene av aksial-, rull- og stampbevegelser til tre kanaler ved input fra menneskelig operatør. Mappingen er definert i svømmeskjemaets kontrollskjema.

I klatremodusen, heri også omtalt som vognmodusen, oppnås den aktive stillingskontrollen fordelaktig med en kontroller av PID-typen og en invers sinus-operator. Den opprettholder dreievinkelen 9 til chassislegemet 100 relativt til en overflate på en gjenstand som fartøyet klatrer eller kjører på, som settpunktverdien, også når en forstyrrelseskraft påføres på fartøyet. Kontrolleren sammenligner det tilordnede stillingsvinkelsettpunktet med den målte stillingsvinkelen, heri også omtalt som legemevippe- eller dreievinkelen, fra sensorene. PID-kontrolleren beregner det passende resulterende momentet ifølge differansen mellom settpunktvinkelen og den målte vinkelen. Invers sinus-operatortransformasjonen av momentet til den korresponderende orienteringsvinkelen a til thrusteren utføres.

Stabiliseringen arves i prosessen med aktiv stillingskontroll. Følgelig anses fartøyet for å være et stivt legeme forbundet med et ledd med 1 frihetsgrad. Forstyrrelseskraften påvirker dreievinkelen 9 til chassislegemet 100 ved hjelp av det resulterende forstyrrelsesmomentet. Thrusterorienteringen viser en metode for å aktivt motvirke forstyrrelsen. Som et resultat av dette skjemaet beholdes den målte dreievinkelen 0 i området [-16°, -28°] etter at dreiningen 9 er satt stabilt til -23°.

I figur 14 vises det ved simulering bidraget fra balanseringsmomenter fra både thruster 300 og hjul 200 for å motvirke forstyrrelsesmomentet. Thrusteren 300 synes å være responsiv på variasjonen i forstyrrelsesmoment, mens bidraget fra hjulene 200 viser mindre svingning.

Hjulkontrollen gjøres av differensialdrivet som fordeler en offset-rate på hvert hjul når styrebevegelsen påføres. De to separate PID-kontrollerne styrer så hjulets rotasjonsrate.

Generelt forventes de induserte kreftene Twh og Fth å bli motvirket av momentet Mth og kraften Fwh med deres egne PID-kontrolleres tilbakekoblingssløyfer. Med andre ord skal hjulene og thrusteren styres for å eliminere den uønskede bevegelsen som bringes av hver av dem. Men for å forbedre integriteten til hele kontrollsystemet tilføyes enkelte fremoverreguleringssløyfer. Derfor, når den ene av aktuatorene påfører et hvilket som helst moment og kraft, vil motstykket følgelig forutse denne bevegelsen ved å påføre ekstra innsats på seg selv. I fig. 12b er parameterne kl og k2 for kontrollsystemets fremoverreguleringsanordning satt til passende verdier, som etableres med teknisk beregning og endelig innstilling, på grunnlag av de faktiske, endelige fysiske egenskapene til den bestemte utførelsesformen av undervannsfartøy.

Til slutt representeres fartøyets bevegelse av stillingsvinkelen 9, hastigheten Vxt og rotasjonsraten cotz, som tilordnes ved tre parametere fra operatøren. I klatremodusen defineres mappingen av de ovennevnte bevegelsene til input fra menneskelig operatør også i kontrollskjemaet.

Claims (10)

1. Undervannsfartøy (1) som kan opereres i en første modus for frisvømming i vann og en andre modus for kjøring på en nedsenket overflate på en gjenstand (2), der undervannsfartøyet omfatter et legeme (100), karakterisert vedat undervannsfartøyet ytterligere omfatter et enkelt hjulsett (200) bestående av to hjul (200a, 200b) festet roterbart til legemet på en første ende av legemet ved hjelp av et festemiddel som tilveiebringer en dreieakse som tillater dreining av legemet i forhold til hjulsettet, og et thrustermiddel (300, 300a, 300b) festet til legemet for fremdrift av fartøyet når det opererer i frisvømmemodus, og for å tilveiebringe en kraft på legemet for å dreie fartøyets legeme om dreieaksen når det opererer i modusen for kjøring på en gjenstands nedsenkede overflate, hvori legemet er formet avlangt med en andre ende motstående til den første enden, og der thrusteren er plassert proksimalt for den andre enden, og de to hjulene har en felles rotasjonsakse (250) som danner dreieaksen.

2. Undervannsfartøyet ifølge krav 1, hvori de to hjulene inkluderer magneter i sine respektive felger for å tilveiebringe hjulenes tiltrekning til en overflate på en magnetiserbar gjenstand.

3. Undervannsfartøyet ifølge krav 2, omfattende et middel for å kontrollere et magnetfelt for minst én av magnetene.

4. Undervannsfartøyet ifølge krav 3, omfattende en sensor for å bestemme en dreievinkel (0) for en lengdeakse (150) til det avlange legemet i forhold til et plan som er i det vesentlige tangerende til de to hjulene i kontaktpunkter mellom hjulene og overflaten, og en thrusterkontroller som har en input for å motta en satt vinkelverdi og bli tilpasset for å kontrollere thrusterens kraft for å opprettholde dreievinkelen på en mottatt satt vinkel når det opererer i modusen for navigering rundt på en nedsenket overflate på en gjenstand.

5. Undervannsfartøyet ifølge krav 1, hvori den vektorstyrte thrusteren omfatter en aktuator (341a, 341b) for å kontrollere en retning for en skyvekraft tilveiebrakt av den vektorstyrte thrusteren, der aktuatoren har kontrollinput for å motta et kontrollsignal fra skyvekraftkontrolleren.

6. Undervannsfartøyet ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, hvori thrusteren er en vektorstyrt thruster som er tilpasset for å tilveiebringe en skyvekraft i minst et plan som er i det vesentlige vinkelrett på dreieaksen.

7. Undervannsfartøyet ifølge krav 4, omfattende en hjuldrift (241a, 241b) som er tilpasset for å drive hjulene i rotasjon i forhold til legemet, og en hjuldriftkontroller som har en kontrollinput som kan kobles til en eksternt plassert fartøykontrollinnretning eller til et fartøynavigeringsmiddel plassert på eller proksimalt for undervannsfartøyet, der fartøynavigeringsmiddelet er tilpasset for å navigere undervannsfartøyet rundt på den nedsenkede overflaten i henhold til en forhåndsdefinert bevegelsesplan.

8. Undervannsfartøyet ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, omfattende et oppdriftskontrollmiddel tilpasset for å kontrollere et oppdriftsmiddel for å tilveiebringe en oppdriftskraft som virker på undervannsfartøyet på en lokalisering som flyttes langs legemets lengdeakse mot og bort fra et tyngdepunkt for undervannsfartøyet.

9. Undervannsfartøyet ifølge krav 8, omfattende oppdriftskontrollmiddelet som er tilpasset for å tilveiebringe oppdriftskraften som virker på undervannsfartøyet på en lokalisering som flyttes langs legemets lengdeakse bort fra et tyngdepunkt mot hjulenden, for slik å orientere undervannsfartøyet med dets thruster-ende oppover og dets hjul-ende nedover når det opererer i den første modusen for frisvømming og driving.

10. Undervannsfartøyet ifølge et hvilket som helst av de foregående kravene, omfattende et verktøyfestemiddel for å feste til legemet, minst én av et børsteverktøy, et vannstråleverktøy og et måleverktøy.