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基于类拉格朗日方程的UVMS动力学简化建模方法

杨青宇 任凭 王浩

杨青宇, 任凭, 王浩. 基于类拉格朗日方程的UVMS动力学简化建模方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(5): 891-900 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
引用本文: 杨青宇, 任凭, 王浩. 基于类拉格朗日方程的UVMS动力学简化建模方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(5): 891-900 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
YANG Qingyu, REN Ping, WANG Hao. A Simplified Modeling Method of UVMS Dynamics Based on Quasi-Lagrange Equation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(5): 891-900. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
Citation: YANG Qingyu, REN Ping, WANG Hao. A Simplified Modeling Method of UVMS Dynamics Based on Quasi-Lagrange Equation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(5): 891-900. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002

基于类拉格朗日方程的UVMS动力学简化建模方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
基金项目: 中央高校基本科研业务费(201964014).
详细信息
    作者简介:

    杨青宇(1995-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下机器人动力学建模与控制

    通讯作者:

    任 凭(1980-), 男, 博士, 副教授, 主要研究方向为面向水下机器人和并联机器人的运动学、动力学与控制.

  • 中图分类号: TJ630.33; U664.82

A Simplified Modeling Method of UVMS Dynamics Based on Quasi-Lagrange Equation

  • 摘要: 作为一种具有强非线性、强耦合、时变、冗余且高维度的复杂系统, 水下机器人-机械臂系统(UVMS)的建模、运动控制和稳定性研究都具有较大的难度。在动力学建模中, 对于自由度较高的复杂UVMS, 采用传统拉格朗日方程建模, 需要对广义坐标向量和其导数分别进行求导和求偏导操作, 会面临符号求导计算量大、建模效率低等问题。因此, 文中基于类拉格朗日方法提出一种适用于6+n自由度UVMS的动力学简化建模方法, 以减少符号化公式推导的运算量, 提高建模效率与结果的准确性。最后结合BlueROV水下机器人与Reach Alpha水下机械臂的实物参数对所建立的模型进行了数值仿真, 实验结果验证了UVMS的复杂耦合性。基于文中方法建立的动力学模型具有明确、清晰的方程形式, 能够为控制算法研究与耦合力优化提供有力支撑, 为动力学参数设计与轨迹规划研究提供参考。

     

  • 图  1  UVMS坐标系

    Figure  1.  Coordinate systems of a UVMS

    图  2  组合后的UVMS(BlueROV + Reach Alpha)

    Figure  2.  Combined UVMS(BlueROV + Reach Alpha)

    图  3  9自由度UVMS各坐标系

    Figure  3.  Coordinate systems of UVMS with nine degrees of freedom

    图  4  机械臂水阻尼力(矩)

    Figure  4.  Hydrodynamic damping forces and moments of the manipulator

    图  5  UVMS阻尼力(矩)

    Figure  5.  Hydrodynamic damping forces and moments of the UVMS

    图  6  UVMS恢复力(矩)

    Figure  6.  Restoring forces and moments of the UVMS

    图  7  各状态时间响应

    Figure  7.  Time responses of the states

    图  8  不同横向推进力输入下总线速率时间响应曲线

    Figure  8.  Time responses of the total speeds under different surge thruster forces

    图  9  Matlab/Simulink仿真环境下UVMS虚拟样机

    Figure  9.  Virtual prototype of the UVMS in Matlab/Simulink simulation environment

    图  10  不同仿真环境下x随时间响应曲线对比

    Figure  10.  Comparison of x change with time response curves in different simulation environments

    表  1  UVMS相关符号说明

    Table  1.   Description of symbols related to the UVMS

    位置/姿态角/关节变量
    (平动/转动)
    线速度/角速度/
    关节速度
    力/力矩/
    关节力(矩)
    x u X
    y v Y
    z w Z
    $\phi $ p K
    $\theta $ q M
    $\psi $ r N
    $ {\alpha _1} $ $ {\dot \alpha _1} $ ${Q_1}$
    $ {\alpha _2} $ $ {\dot \alpha _2} $ ${Q_2}$
    ··· ··· ···
    $ {\alpha _n} $ $ {\dot \alpha _n} $ ${Q_n}$
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  • [1] 杨波, 刘烨瑶, 廖佳伟. 载人潜水器——面向深海科考和海洋资源开发利用的“国之重器”[J]. 中国科学院院刊, 2021, 36(5): 622-631.

    YANG B, LIU Y Y, LIAO J W. Manned submersible——the most important weapon of the country for deep-sea scientific research and marine resources development and utilization[J]. Proceedings of the Chinese Academy of Sciences, 2021, 36(5): 622-631.
    [2] ZHANG H, ZHANG S, WANG Y, et al. Subsea pipeline leak inspection by autonomous underwater vehicle[J]. Applied Ocean Research, 2021, 107: 102321. doi: 10.1016/j.apor.2020.102321
    [3] 王涛. 水下机器人ROV在石油行业的维修技术研究[J]. 中国石油和化工标准与质量, 2023, 43(19): 184-186. doi: 10.3969/j.issn.1673-4076.2023.19.059

    WANG T. Research on maintenance technology of ROV in petroleum industry[J]. China Petroleum and Chemical Industry Standards and Quality, 2023, 43(19): 184-186. doi: 10.3969/j.issn.1673-4076.2023.19.059
    [4] LI B, WANG Y, ZHU K, et al. Structure design and control research of a novel underwater cable-driven manipulator for autonomous underwater vehicles[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the Maritime Environment, 2020, 234(1): 170-180. doi: 10.1177/1475090219851948
    [5] GAO L, SONG Y, GAO J, et al. Dynamic modeling and simulation an underwater vehicle manipulator system[C]//2022 IEEE 9th International Conference on Underwater System Technology: Theory and Applications(USYS). Kuala Lumpur, Malaysia: IEEE, 2022: 1-6.
    [6] XIONG X, XIANG X, WANG Z, et al. On dynamic coupling effects of underwater vehicle-dual-manipulator system[J]. Ocean Engineering, 2022, 258: 111699. doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.111699
    [7] SHAH U H, KARKOUB M, KERIMOGLU D, et al. Dynamic analysis of the UVMS: Effect of disturbances, coupling, and joint-flexibility on end-effector positioning[J]. Robotica, 2021, 39(11): 1952-1980. doi: 10.1017/S0263574721000072
    [8] TARN T J, SHOULTS G A, YANG S P. A dynamic model of an underwater vehicle with a robotic manipulator using Kane's method[J]. Autonomous Robots, 1996, 3(2-3): 269-283. doi: 10.1007/BF00141159
    [9] HAN H, WEI Y, YE X, et al. Modeling and fuzzy decoupling control of an underwater vehicle-manipulator system[J]. IEEE Access, 2020, 8: 18962-83. doi: 10.1109/ACCESS.2020.2968063
    [10] ZHU Q, SHANG H Q, LU X, et al. Adaptive sliding mode tracking control of underwater vehicle-manipulator systems considering dynamic disturbance[J]. Ocean Engineering, 2024, 291: 116300. doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.116300
    [11] SARKAR N, PODDER T K. Coordinated motion planning and control of autonomous underwater vehicle-manipulator systems subject to drag optimization[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(2): 228-239. doi: 10.1109/48.922789
    [12] MEIROVITCH L. Methods of analytical dynamics[M]. New York: Courier Corporation, 2010.
    [13] FOSSEN T I. Guidance and control of ocean vehicles[M]. Hoboken: John Wiley & Sons Inc, 1994.
    [14] CRAIG J J. 机器人学导论[M]. 3版. 北京: 机械工业出版社, 2006.
    [15] MARAIS W J, WILLIAMS S B, PIZARRO O. Go with the flow: Energy minimising periodic trajectories for UVMS[C]//2022 International Conference on Robotics and Automation(ICRA). Philadelphia, PA, USA: IEEE, 2022.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-03
  • 修回日期:  2023-03-05
  • 录用日期:  2024-03-13
  • 网络出版日期:  2024-07-19

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