11、遥控水下航行器建模与控制解析

遥控水下航行器建模与控制解析

1. 引言

遥控水下航行器（ROV）在海洋作业中发挥着重要作用，如管道检测等。为了实现精确的操作和控制，对ROV进行建模和设计合适的控制系统至关重要。本文将深入探讨ROV的建模、动力学方程推导以及控制相关的内容。

2. ROV建模概述

ROV的六自由度动态模型由一组基于牛顿第二定律推导的微分方程描述。在建模过程中，为了使模型更接近实际情况，会考虑由于不确定的水动力（如阻尼和附加质量）对ROV产生的扰动。这些水动力值通常通过水动力软件包（如Wave Analysis MIT（WAMIT）和ANSYS Computation Fluid Dynamic（CFD）软件包）进行数值确定。

3. ROV控制的必要性

与其他海洋航行器（如船舶和自主水下航行器（AUV））类似，ROV的动力学具有非线性、运动高度耦合且易受水动力不确定性影响的特点。此外，某些ROV（如RRC ROV）存在欠驱动的情况，即自由度数量超过执行器数量。这在进行管道检测等作业时，会导致性能显著下降，尤其是在需要定点保持和管道跟踪的情况下。

当ROV在开环条件下运行时，会出现旋转运动，即线性速度（及其对应的线性位置）在稳定过程中并非渐近稳定。这种旋转运动问题是由于科里奥利力和向心力项中的附加质量分量对ROV运动产生交叉耦合效应（即Munk矩），并且在ROV以小俯仰和横滚角运动时，流体方向的变化也会引发该问题。

因此，需要一个强大的控制系统来同时控制ROV的速度和位置。目前有多种控制策略用于ROV控制，例如使用输出反馈和反步方法对ROV（如ODIN ROV）进行同时稳定和跟踪。然而，这些方法可能存在一些局限性