ROV近底滑行动力学与控制技术研究

摘要

随着陆上资源的枯竭，海洋资源逐渐成为二十一世纪各国关注的焦点，绝大多数的贵重深海资源又都蕴藏在海底。对环境的适应能力强，适合于不同地貌、不同深度的水下作业设备，近年来受到了广泛的关注。与水下人工作业相比，无人潜水器凭借安全、低成本的优点逐渐成为了人们探索海洋的最主要手段。
　　深海工作中，无论是海底管线埋设还是海底观察取样，都需要具有良好近底工作性能的ROV来帮助实现。ROV可根据搭载设备的不同来实现不同的功能。搭载喷冲埋缆系统则可以实现海底油气管线的埋设，搭载观测系统及机械手则可以实现海底物质的观测采样。具有近底滑行能力，能够在近底工作的ROV是实现这两种目的的重要帮手。此类ROV设计的关键技术不同于浮游式ROV，因为其在近底工作状态下会与海底土层发生接触，系统中会引入新的干扰力。同时也不同于传统的拖曳式埋缆设备，因为其本身具有动力和控制系统，具有更好的灵活性和机动性。这种新式ROV的研究可以为我国在此类特种深海海底作业设备的研究领域提供有效的帮助。
　　本文针对ROV近底滑行动力学与控制技术进行了研究。滑橇式ROV在近底工作时滑橇会部分陷入海底土层中，目前针对运动物体在土中受力的研究很少，但滑橇在土中运动过程中产生的干扰力对整个系统的运动稳定性影响很大，故对其干扰力进行分析，建立滑橇受力数学模型，并通过泥池拖动实验验证不同因素对滑橇受力的影响，验证滑橇受力数学模型的适用性，并提出较为优化的滑橇受力数学模型。在此基础上，对整个滑橇式ROV进行动力学建模，最终得到滑橇式ROV近底滑行状态下水平面内三自由度运动方程。
　　航向稳定性是滑橇式 ROV水平面运动中最为重要和关键的一项技术指标。结合运动稳定性的判断方法，提出了滑橇式ROV近底滑行状态下水平面内运动稳定性判据。结果表明合理的滑橇设计可以大大提高整个系统的运动稳定性。进行仿真分析，对比无控制自航状态下ROV本体与滑橇式ROV受到扰动后的运动状态，分析滑橇的加入对整个系统运动稳定性的影响。在此基础上进行艏向角闭环控制运动仿真，结果表明艏向角的闭环控制能够进一步提高滑橇式ROV的航向稳定性。
　　最后进行水池实验，模拟滑橇式ROV水中和水底工作状态，验证了其基本运动功能的稳定性，特别是近底滑行状态下的航向稳定性，为后续的研究奠定了基础。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外相关领域发展现状

1.3 研究目的与研究意义

1.4 论文主要研究内容

第二章 滑橇受力分析及实验验证

2.1 引言

2.2 底部行走装置介绍

2.3 滑橇土中运动受力分析

2.4 实验验证

2.5 滑橇受力数学模型

2.6 本章小结

第三章 滑橇式ROV动力学建模

3.1 引言

3.2 坐标系定义

3.3 坐标系转换

3.4 滑橇式ROV水动力分析

3.5 滑橇式ROV近底滑行动力学模型

3.6 水动力系数估算方法

3.7 本章小结

第四章 滑橇式ROV稳定性分析及运动仿真

4 .1 引言

4 .2 稳定性分析

4.3 滑橇式ROV运动仿真

4.4 本章小结

第五章 滑橇式ROV水池实验

5.1 引言

5.2 实验设施介绍

5.3 水池实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6 .1 全文总结

6 .2 研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文