水下结构检测与作业ROV研制及导航方法研究

发布时间：2017-10-29 08:25

  本文关键词：水下结构检测与作业ROV研制及导航方法研究

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【摘要】：世界远洋运输事业飞速发展,船舶作为海上交通运输的主要工具正发挥着越来越重大的作用。船舶在航行过程中,当船体底部接触到海中悬浮物(网具、绳索等)时,这些悬浮物容易被吸入并缠绕在螺旋桨上,严重影响船舶的航行安全。不仅如此,海洋结构生产平台水下部分结构由于长期处于海水的浸泡中,以及平台受船舶的碰撞,容易产生结构断裂、开裂和变形等现象。因此,对水下船体和海洋平台结构的检测与作业必不可少。人工作业风险大、成本高,逐渐被日益发达的机器设备所取代,而水下机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)就是其中一类极具代表性的设备,为海洋事业的发展和海洋科学研究带来了巨大的推动作用。本文结合江苏省高技术船舶协同创新中心2015年科研项目,参与研制了一款多功能、模块化水下机器人ROV样机,并开展导航方法研究。论文首先研究了ROV系统总体方案和结构设计并对关键设备进行选型。根据总体任务要求,研究了水下机器人结构组成,确定了推进方式及布局;用购置与加工的零件装配出整个水下机器人样机,并对控制系统和机械本体进行系统集成。接着设计了ROV水面监控系统和系统监控软件。水面监控系统由水面控制箱和水面电源组成,具有人机交互和显控功能。系统监控软件基于VC开发,包括视频显示、摄像云台控制、推进器控制、数据保存、LED报警等。然后深入研究了ROV导航方法。设计了新颖的基于互补滤波和自适应卡尔曼滤波(Adapted Kalman Filter,AKF)的姿态算法,效果良好;采用启发式漂移消减法(Heuristic Drift Reduction,HDR)对陀螺仪随机漂移误差进行实时估计和补偿;为了降低水下机器人MEMS陀螺仪噪声,解决高、低频噪声难以分辨和剔除的问题,提出了将互补集合经验模态分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)与相关性理论相结合的方法,经过水池实验数据仿真结果表明该方法降噪效果良好且不易失真。最后对ROV样机进行了系统集成和调试,并进行水池实验。实验结果表明,水下机器人操控稳定,能够实现水下浮游检测基本功能,且导航与控制性能良好,达到了预期要求。
【关键词】：水下机器人 检测与作业 控制系统 微惯性导航 水池实验
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U674.941;U666.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 ROV发展现状11-15
• 1.2.2 ROV导航技术发展现状15-16
• 1.3 本文主要研究内容16-18
• 第2章 水下机器人ROV总体方案与结构设计18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 ROV总体方案设计18-20
• 2.2.1 技术要求18-19
• 2.2.2 总体结构组成19-20
• 2.3 ROV本体结构设计20-25
• 2.3.1 本体结构设计与布局20-21
• 2.3.2 动力推进系统方案设计21-23
• 2.3.3 载体框架设计23
• 2.3.4 浮体的设计23-24
• 2.3.5 电子耐压舱设计24
• 2.3.6 水翼模块设计24-25
• 2.4 ROV关键设备选型25-28
• 2.4.1 推进器模块25-26
• 2.4.2 机械臂模块26
• 2.4.3 水下灯26-27
• 2.4.4 水下云台摄像机27
• 2.4.5 脐带缆27-28
• 2.5 实体样机研制28-30
• 第3章 水下机器人ROV控制系统设计与研制30-48
• 3.1 ROV控制系统结构与原理30-31
• 3.2 水面监控平台设计31-38
• 3.2.1 水面控制箱设计32-34
• 3.2.2 系统监控软件设计34-37
• 3.2.3 电源箱37-38
• 3.3 通讯接口方案38-44
• 3.3.1 RS485简介38-39
• 3.3.2 工控机与单片机通信39-41
• 3.3.3 上下位机通信41-44
• 3.4 水下控制器设计44-47
• 3.4.1 ROV水下控制器结构与原理44-45
• 3.4.2 导航和深度计模块45-47
• 3.5 本章小结47-48
• 第4章 水下机器人ROV导航方法研究48-72
• 4.1 引言48-49
• 4.2 惯性导航系统概述49-52
• 4.2.1 常用坐标系49
• 4.2.2 方向余弦矩阵49-51
• 4.2.3 四元数51-52
• 4.3 ROV微惯性导航分析52-59
• 4.3.1 互补滤波原理52-53
• 4.3.2 四元数微分方程53-54
• 4.3.3 等效旋转矢量法54
• 4.3.4 渐消记忆指数加权的自适应卡尔曼滤波54-55
• 4.3.5 ROV导航算法水池实验55-58
• 4.3.6 自适应卡尔曼滤波算法水池实验58-59
• 4.4 HDR算法59-64
• 4.4.1 MEMS陀螺仪误差和HDR算法59-62
• 4.4.2 Allan方差62-64
• 4.5 改进CEEMD算法64-71
• 4.5.1 MEMS陀螺仪噪声原理65-66
• 4.5.2 MEMS陀螺仪噪声模型66
• 4.5.3 CEEMD分解66-67
• 4.5.4 相关性分析67-68
• 4.5.5 基于相关性重构的CEEMD去躁68-71
• 4.6 总结71-72
• 第5章 水下机器人ROV陆上和水池测试72-80
• 5.1 ROV陆上测试72-75
• 5.1.1 软件测试72-73
• 5.1.2 性能测试73-75
• 5.2 ROV水池实验75-79
• 5.2.1 功能实验76-79
• 5.3 本章小结79-80
• 总结与展望80-82
• 参考文献82-86
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务和主要成果86-88
• 致谢88

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