一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术提高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。练效果不佳的问题。练效果不佳的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法


[0001]本专利技术涉及一种六自由度ROV作业仿真平台的搭建方法，属于船舶领域。

技术介绍

[0002]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，本专利专利技术了一种六自由度ROV作业系统的仿真平台。
[0003]现有ROV模拟和作业仿真系统存在以下不足：
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种六自由度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。
[0009]技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种六自由度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：
[0010]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；
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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：
[0016]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，
[0017][0018]式中：M0为母船质量和附加质量的和；C
RB0
和C
A0
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；τ
wind0
为风载荷；τ
wave0
为波浪载荷；v
r0
为母船在随体坐标系中与海流的相对速度，τ
cable0
为脐带缆的张力，其在耐波性坐标系方向下标示为：
[0019]τ
cable0
＝[F
x0
,F
y0
,F
z0
,F
z0
y
f0
‑
F
y
z
f0
,F0z
f0
‑
F
z0
x
f0
,F
y0
x
f0
‑
F
x0
y
f0
]T
(2)
[0020]其中F
x0
,F
y0
,F
z0
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，(x
f0
,y
f0
,z
f0
)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
[0021][0022]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。
[0023]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：
[0024]建立脐带缆和系缆的梁模型：
[0025][0026][0027]式中：Y为脐带缆轴向应变ε、法向应力S
n
、切向应力S
b
、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S
n
、S
b
、Ω1、Ω2、Ω3、微元的轴向和法向转角、速度、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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；C
RB0
和C
A0
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；τ
wind0
为风载荷；τ
wave0
为波浪载荷；v
r0
为母船在随体坐标系中与海流的相对速度，τ
cable0
为脐带缆的张力，其在耐波性坐标系方向下标示为：τ
cable0
＝[F
x0
,F
y0
,F
z0
,F
z0
y
f0
‑
F
y
z
f0
,F0z
f0
‑
F
z0
x
f0
,F
y0
x
f0
‑
F
x0
y
f0
]
T
(2)其中F
x0
,F
y0
,F
z0
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，(x
f0
,y
f0
,z
f0
)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：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S
n
、切向应力S
b
、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S
n
、S
b
、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F
x(0,n)
,F
y(0,n)
,F
z(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U

【专利技术属性】
技术研发人员：昝英飞，郭睿男，袁利毫，韩端锋，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：