复杂环境干扰下的ROV主动式升沉补偿系统动力学分析及控制

During the processes of retrieval, deployment or underwater operations of a remote operated vehicle (ROV), its security and operational precision can be adversely affected by complicated environmental disturbances, especially by that in heave directions. According to the existed researches on the design and control of ROV heave compensation systems, the actual performance of these systems are not quite well since the coupling dynamics of flexible underwater cables were neglected. In order to improve environmental adaptability and operability of ROV systems under complicated environmental disturbances, this project focus on the design of an active heave compensation control strategy for an entire ROV system including the dynamics of flexible underwater cables. An entire ROV heave compensation system is a kind of typical rigid-flexible coupling system. Theoretic modeling analysis and control design for this system involve the knowledge of some fields such as multi-body dynamics, nonlinear control and signal processing. Motivated by the former relevant researches, this project addresses the problem of estimation and prediction for random environmental disturbances by using an adaptive disturbance elimination approach and generalized Tikhonov regularization algorithm, designs a control strategy for the ROV heave compensation system via advanced nonlinear control theories, introduces some methodologies to further improve the heave compensation ability for ROV systems based on the derivation of the dynamic model of the entire ROV heave compensation system and the hydrodynamic analysis of underwater cables.

水下遥控操纵机器人(ROV)在收放或水下作业过程中，复杂的环境干扰会对其安全性和作业精度产生不利影响，其中，尤以升沉方向影响最大。现有的ROV升沉补偿系统设计及其控制研究中，由于忽略了柔性水下系缆的耦合影响，实际的补偿效果并不理想。本项目拟针对完整的ROV系统，研究和设计一种主动式升沉补偿控制策略，以提高其在复杂环境干扰下的环境适应能力和任务执行能力。 完整的ROV升沉补偿系统是一类典型的刚-柔耦合系统，对其进行理论建模分析和运动控制设计涉及到多体动力学、非线性控制、信号处理等多个领域的知识。本项目拟在已有的相关工作基础上，采用自适应干扰消除方法和扩展Tikhonov调节算法解决随机环境干扰信号的估计和预测问题，利用先进的非线性控制理论建立ROV升沉补偿控制策略，通过建立完整的ROV升沉补偿系统的动力学模型，结合系缆部分的水动力分析结果，研究提高ROV系统升沉补偿能力的方法和措施。

水下遥控操纵机器人(ROV)在收放或水下作业过程中，复杂的环境干扰会对其安全性和作业精度产生不利影响，其中，尤以升沉方向影响最大。现有的ROV升沉补偿系统设计及其控制研究中，由于忽略了柔性水下系缆的耦合影响，实际的补偿效果并不理想。本项目针对完整的ROV系统，研究和设计主动式升沉补偿控制策略，以提高其在复杂环境干扰下的环境适应能力和任务执行能力。. 本项目主要研究内容及结果包括：1）复杂环境干扰下的ROV系统的数学建模及仿真研究。针对由ROV本体、系缆、升沉补偿装置和母船构成的ROV升沉补偿系统，考虑到系统建模不确定性和复杂环境干扰作用，建立耦合的系统动力学仿真模型。2）随机干扰信号的分析与预测研究。针对母型船的运动建模特征，考虑到其运动特性和环境干扰相关性，研究了通过借助鲁棒控制、自适应控制等方法对未知随机环境干扰信号的反向估计和预测方法。3）升沉补偿控制策略的鲁棒性和最优性设计。传统升沉补偿系统仅对位置信号或张力信号补偿，其不足之处在于补偿系统介入初期可能引起系缆张力或位置突变。针对这一情况，研究了改进升沉补偿算法，以减小或消除由于控制系统介入所引起的突变现象。4）小型ROV原理样机的设计制作。为了更好的将相关理论研究应用于实际，在项目经费支持下，对小型ROV的原理样机进行设计制作，为后续总体系统的实验验证及深入研究打下一定的基础。