本文關(guān)鍵詞：水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)與作業(yè)ROV研制及導(dǎo)航方法研究

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【摘要】：世界遠(yuǎn)洋運(yùn)輸事業(yè)飛速發(fā)展,船舶作為海上交通運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來(lái)越重大的作用。船舶在航行過(guò)程中,當(dāng)船體底部接觸到海中懸浮物(網(wǎng)具、繩索等)時(shí),這些懸浮物容易被吸入并纏繞在螺旋槳上,嚴(yán)重影響船舶的航行安全。不僅如此,海洋結(jié)構(gòu)生產(chǎn)平臺(tái)水下部分結(jié)構(gòu)由于長(zhǎng)期處于海水的浸泡中,以及平臺(tái)受船舶的碰撞,容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)斷裂、開(kāi)裂和變形等現(xiàn)象。因此,對(duì)水下船體和海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與作業(yè)必不可少。人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、成本高,逐漸被日益發(fā)達(dá)的機(jī)器設(shè)備所取代,而水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)就是其中一類極具代表性的設(shè)備,為海洋事業(yè)的發(fā)展和海洋科學(xué)研究帶來(lái)了巨大的推動(dòng)作用。本文結(jié)合江蘇省高技術(shù)船舶協(xié)同創(chuàng)新中心2015年科研項(xiàng)目,參與研制了一款多功能、模塊化水下機(jī)器人ROV樣機(jī),并開(kāi)展導(dǎo)航方法研究。論文首先研究了ROV系統(tǒng)總體方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行選型。根據(jù)總體任務(wù)要求,研究了水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成,確定了推進(jìn)方式及布局;用購(gòu)置與加工的零件裝配出整個(gè)水下機(jī)器人樣機(jī),并對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械本體進(jìn)行系統(tǒng)集成。接著設(shè)計(jì)了ROV水面監(jiān)控系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控軟件。水面監(jiān)控系統(tǒng)由水面控制箱和水面電源組成,具有人機(jī)交互和顯控功能。系統(tǒng)監(jiān)控軟件基于VC開(kāi)發(fā),包括視頻顯示、攝像云臺(tái)控制、推進(jìn)器控制、數(shù)據(jù)保存、LED報(bào)警等。然后深入研究了ROV導(dǎo)航方法。設(shè)計(jì)了新穎的基于互補(bǔ)濾波和自適應(yīng)卡爾曼濾波(Adapted Kalman Filter,AKF)的姿態(tài)算法,效果良好;采用啟發(fā)式漂移消減法(Heuristic Drift Reduction,HDR)對(duì)陀螺儀隨機(jī)漂移誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償;為了降低水下機(jī)器人MEMS陀螺儀噪聲,解決高、低頻噪聲難以分辨和剔除的問(wèn)題,提出了將互補(bǔ)集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition,CEEMD)與相關(guān)性理論相結(jié)合的方法,經(jīng)過(guò)水池實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果表明該方法降噪效果良好且不易失真。最后對(duì)ROV樣機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)集成和調(diào)試,并進(jìn)行水池實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,水下機(jī)器人操控穩(wěn)定,能夠?qū)崿F(xiàn)水下浮游檢測(cè)基本功能,且導(dǎo)航與控制性能良好,達(dá)到了預(yù)期要求。
【關(guān)鍵詞】：水下機(jī)器人 檢測(cè)與作業(yè) 控制系統(tǒng) 微慣性導(dǎo)航 水池實(shí)驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U674.941;U666.1
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 緒論10-18
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.2.1 ROV發(fā)展現(xiàn)狀11-15
• 1.2.2 ROV導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀15-16
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容16-18
• 第2章 水下機(jī)器人ROV總體方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18-30
• 2.1 引言18
• 2.2 ROV總體方案設(shè)計(jì)18-20
• 2.2.1 技術(shù)要求18-19
• 2.2.2 總體結(jié)構(gòu)組成19-20
• 2.3 ROV本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20-25
• 2.3.1 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與布局20-21
• 2.3.2 動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)21-23
• 2.3.3 載體框架設(shè)計(jì)23
• 2.3.4 浮體的設(shè)計(jì)23-24
• 2.3.5 電子耐壓艙設(shè)計(jì)24
• 2.3.6 水翼模塊設(shè)計(jì)24-25
• 2.4 ROV關(guān)鍵設(shè)備選型25-28
• 2.4.1 推進(jìn)器模塊25-26
• 2.4.2 機(jī)械臂模塊26
• 2.4.3 水下燈26-27
• 2.4.4 水下云臺(tái)攝像機(jī)27
• 2.4.5 臍帶纜27-28
• 2.5 實(shí)體樣機(jī)研制28-30
• 第3章 水下機(jī)器人ROV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制30-48
• 3.1 ROV控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理30-31
• 3.2 水面監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)31-38
• 3.2.1 水面控制箱設(shè)計(jì)32-34
• 3.2.2 系統(tǒng)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)34-37
• 3.2.3 電源箱37-38
• 3.3 通訊接口方案38-44
• 3.3.1 RS485簡(jiǎn)介38-39
• 3.3.2 工控機(jī)與單片機(jī)通信39-41
• 3.3.3 上下位機(jī)通信41-44
• 3.4 水下控制器設(shè)計(jì)44-47
• 3.4.1 ROV水下控制器結(jié)構(gòu)與原理44-45
• 3.4.2 導(dǎo)航和深度計(jì)模塊45-47
• 3.5 本章小結(jié)47-48
• 第4章 水下機(jī)器人ROV導(dǎo)航方法研究48-72
• 4.1 引言48-49
• 4.2 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)概述49-52
• 4.2.1 常用坐標(biāo)系49
• 4.2.2 方向余弦矩陣49-51
• 4.2.3 四元數(shù)51-52
• 4.3 ROV微慣性導(dǎo)航分析52-59
• 4.3.1 互補(bǔ)濾波原理52-53
• 4.3.2 四元數(shù)微分方程53-54
• 4.3.3 等效旋轉(zhuǎn)矢量法54
• 4.3.4 漸消記憶指數(shù)加權(quán)的自適應(yīng)卡爾曼濾波54-55
• 4.3.5 ROV導(dǎo)航算法水池實(shí)驗(yàn)55-58
• 4.3.6 自適應(yīng)卡爾曼濾波算法水池實(shí)驗(yàn)58-59
• 4.4 HDR算法59-64
• 4.4.1 MEMS陀螺儀誤差和HDR算法59-62
• 4.4.2 Allan方差62-64
• 4.5 改進(jìn)CEEMD算法64-71
• 4.5.1 MEMS陀螺儀噪聲原理65-66
• 4.5.2 MEMS陀螺儀噪聲模型66
• 4.5.3 CEEMD分解66-67
• 4.5.4 相關(guān)性分析67-68
• 4.5.5 基于相關(guān)性重構(gòu)的CEEMD去躁68-71
• 4.6 總結(jié)71-72
• 第5章 水下機(jī)器人ROV陸上和水池測(cè)試72-80
• 5.1 ROV陸上測(cè)試72-75
• 5.1.1 軟件測(cè)試72-73
• 5.1.2 性能測(cè)試73-75
• 5.2 ROV水池實(shí)驗(yàn)75-79
• 5.2.1 功能實(shí)驗(yàn)76-79
• 5.3 本章小結(jié)79-80
• 總結(jié)與展望80-82
• 參考文獻(xiàn)82-86
• 攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)和主要成果86-88
• 致謝88

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