[發(fā)明專利]一種六自由度ROV作業(yè)仿真平臺的搭建方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310068820.3
• 申請日: 2023-02-06
• 公開（公告）號: CN116011294B
• 公開（公告）日: 2023-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 昝英飛;郭睿男;袁利毫;韓端鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/15;G06F119/14
• 代理公司: 南京華恒專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32335
• 代理人: 宋方園

本發(fā)明公開了一種六自由度ROV作業(yè)仿真平臺的搭建方法，平臺包括綜合控制平臺、教員控制系統(tǒng)、海洋環(huán)境模擬系統(tǒng)、仿真平臺解算系統(tǒng)、ROV操縱系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫儲存系統(tǒng)，搭建方法包含步驟（1）依據(jù)母船型線計算母船水動力系數(shù)和時延函數(shù)；步驟（二）臍帶纜和系纜采用梁模型建立有限差分模型，計算形態(tài)和兩端張力；步驟（三）建立耦合模型中臍帶纜和系纜的邊界條件；步驟（四）利用桿元模型建模系纜管理系統(tǒng)；步驟（五）非線性ROV操縱性方程；步驟（六）建立考慮ROV位姿的機械臂動力學(xué)模型。本發(fā)明提高ROV作業(yè)效率，減少設(shè)備損壞的風(fēng)險，解決模擬器與真實ROV水下作業(yè)實際情況不符所導(dǎo)致的訓(xùn)練效果不佳的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種六自由度ROV作業(yè)仿真平臺的搭建方法，屬于船舶領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于海洋是現(xiàn)代油氣資源重要的儲備基地，海上油氣資源的儲量從淺水、深水到超深水依次以超過2倍增加，深水和超深水油氣資源開發(fā)逐步成為全球重點，因此對海上結(jié)構(gòu)物的安裝和石油生產(chǎn)儲備設(shè)備的使用提出更高要求。遙控水下有纜機器人(ROV)在海上結(jié)構(gòu)物與設(shè)備的安裝與使用過程中扮演重要角色。ROV在結(jié)構(gòu)物和設(shè)備安裝階段負責(zé)觀察安裝狀態(tài)、檢查安裝區(qū)域、系纜釋放和回收等作業(yè)。在生產(chǎn)過程中負責(zé)水下設(shè)備的監(jiān)視和操作深水水下設(shè)備等作業(yè)。由于水下環(huán)境復(fù)雜，安全高效的操控ROV并完成作業(yè)任務(wù)成為一大難題。為了提高作業(yè)效率，減少設(shè)備損壞的風(fēng)險，本專利發(fā)明了一種六自由度ROV作業(yè)系統(tǒng)的仿真平臺。

現(xiàn)有ROV模擬和作業(yè)仿真系統(tǒng)存在以下不足：

1.作業(yè)場景局限性：現(xiàn)有系統(tǒng)的仿真模塊中均以ROV和局部作業(yè)環(huán)境為主體進行ROV的仿真與控制，作業(yè)場景局限于ROV及其附近水域，而實際ROV作業(yè)中包括水面和水下兩種場景中的多種結(jié)構(gòu)物。

2.ROV作業(yè)影響因素缺乏：現(xiàn)有ROV模擬和作業(yè)仿真系統(tǒng)中影響ROV作業(yè)的因素僅包括線纜、機械臂和海流，但實際作業(yè)中ROV作業(yè)系統(tǒng)還包括母船、臍帶纜、系纜管理系統(tǒng)(TMS)和系纜，環(huán)境因素還包括母船遭遇的海浪和海風(fēng)、中繼器遭遇的海流。

3.ROV運動響應(yīng)不真實：由于現(xiàn)有的ROV模擬和作業(yè)仿真系統(tǒng)缺少水面場景、母船和TMS等因素，無法模擬母船在風(fēng)浪中運動對水下TMS和ROV的影響。

4.ROV布放作業(yè)中其水動力系數(shù)依賴于ROV和TMS的結(jié)構(gòu)形式，現(xiàn)有研究較少考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)物的動力學(xué)問題，應(yīng)用于仿真的水動力參數(shù)不能考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)物局部構(gòu)件水動力的相互干擾，因次缺乏有效的時域建模和考慮結(jié)構(gòu)物復(fù)雜形態(tài)的極限海況估計方法。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種六自由度ROV作業(yè)仿真平臺的搭建方法，除了能夠逼真的反應(yīng)ROV的六自由度運動以外，還同時逼真的模擬水面母船、臍帶纜以及機械臂對其所組成的ROV作業(yè)系統(tǒng)的影響。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種六自由度ROV作業(yè)仿真平臺的搭建方法，所述該仿真平臺包含四大部分：HLA分布式集成開發(fā)框架、系統(tǒng)輸入模塊、實時仿真模塊和系統(tǒng)輸出模塊，系統(tǒng)輸入模塊包括綜合控制平臺和教員控制系統(tǒng)，實時仿真模塊包括海洋環(huán)境模擬系統(tǒng)、仿真平臺解算系統(tǒng)、ROV操縱系統(tǒng)，系統(tǒng)輸出模塊包括顯示系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫儲存系統(tǒng)；各系統(tǒng)通過運行時間支撐系統(tǒng)RTI提供接口規(guī)范中所描述的各項服務(wù)，RTI負責(zé)系統(tǒng)間的通信以實現(xiàn)互操作，其中：

所述綜合控制平臺通過網(wǎng)絡(luò)開啟教員控制系統(tǒng)、海洋環(huán)境模擬系統(tǒng)、仿真平臺解算系統(tǒng)、ROV操縱系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)；所述教員控制系統(tǒng)發(fā)布訓(xùn)練科目，在訓(xùn)練中干預(yù)仿真平臺設(shè)備和作業(yè)系統(tǒng)參數(shù)，并可設(shè)置故障和突發(fā)情況，訓(xùn)練操作員的應(yīng)變能力，布置人造的水下采油樹、管匯、水下防噴器、海管和基盤的位置和初始狀態(tài)；

所述海洋環(huán)境模擬系統(tǒng)發(fā)布海流、海浪和海風(fēng)環(huán)境，并可設(shè)置海洋環(huán)境情況，訓(xùn)練操作員的應(yīng)變能力，輸入顯示系統(tǒng)進行海洋環(huán)境的三維顯示；