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基于类拉格朗日方程的UVMS系统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系统动力学简化建模方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx 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系统动力学简化建模方法[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
YANG Qingyu, REN Ping, WANG Hao. A simplified modeling method of UVMS system dynamics based on quasi-Lagrange equation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002
Citation: YANG Qingyu, REN Ping, WANG Hao. A simplified modeling method of UVMS system dynamics based on quasi-Lagrange equation[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0002

基于类拉格朗日方程的UVMS系统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, 在读研究, 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, 主要从事面向水下机器人和并联机器人的运动学、动力学与控制研究.

A simplified modeling method of UVMS system 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、高维度的复杂系统, 水下机器人-机械臂系统(Underwater Vehicle-Manipulator System, 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水下机器人-机械臂系统, 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, 本文旨在基于类拉格朗日方法提出一种适用于$6 + n$自由度水下机器人-机械臂系统的动力学简化建模方法, 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系统的复杂耦合性。基于本文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的支撑, 为动力学参数设计与轨迹规划研究提供基础。

     

  • 图  1  UVMS坐标系

    Figure  1.  UVMS coordinate systems

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

    Figure  2.  Combined UVMS (BlueROV + Reach Alpha)

    图  3  9自由度UVMS的各坐标系

    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  水下机器人本体、机械臂水阻尼力(矩)向量

    Figure  5.  Hydrodynamic damping forces and moments of the UVMS

    图  6  水下机器人本体、机械臂恢复力(矩)向量

    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的时间响应曲线

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

    图  9  Matlab/Simulink仿真环境下x随时间响应曲线

    Figure  9.  Response Curve of x with Time 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 Time Response Curves in Different Simulation Environment

    表  1  水下机器人-机械臂相关符号说明

    Table  1.   Description of symbols related to an underwater vehicle-manipulator system

    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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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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