论文部分内容阅读
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。