海洋渔业选择性捕捞ROV艏向控制方法研究.pdf
《海洋渔业选择性捕捞ROV艏向控制方法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《海洋渔业选择性捕捞ROV艏向控制方法研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言海洋每年为人类提供大量的渔业资源,而目前存在的非法、无序的渔业捕捞严重威胁海洋生态环境和全球的海产品可持续性供应。近些年水下机器人被应用在水 下 作 业 任 务 中,由 于 有 缆 水 下 机 器 人(Remote Operated Vehicle,ROV)运动较为灵活,在水下能够长时间执行拍摄、捕捞、修理以及采样等作业,从而使用最为广泛12。ROV 运动系统具有非线性以及强耦合性,在水下运动时遇到水流的作用会加剧 ROV 不稳定,所以ROV
2、控制系统的鲁棒性是研究重点34。PID控制由于具有结构简单、容易实现和可靠性良好而被广泛应用,但是对于非线性和时变性系统,使用PID控制很难做出准确、快速的反应5。针对上述问题,DOI:10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.017引用格式:戎瑞亚,季福路,刘全良,等.海洋渔业选择性捕捞ROV艏向控制方法研究J.现代电子技术,2023,46(18):9096.海洋渔业选择性捕捞ROV艏向控制方法研究戎瑞亚1,季福路1,2,刘全良2,贺 波2(1.浙江海洋大学 海洋工程装备学院,浙江 舟山 316022;2.捷胜海洋装备股份有限公司,浙江 宁波 315806)摘 要:为
3、减少海洋渔业资源过度开发,文中设计一种海洋渔业选择性捕捞 ROV,用于捕捞过程中对幼鱼和稀有鱼种的保护。依据海洋渔业选择性捕捞作业要求,采用Solidworks软件完成ROV机械结构的设计。ROV运动系统具有非线性和强耦合性,遇到水流的作用会变得更加不稳定。为提高ROV在捕捞过程中艏向运动的稳定性能,设计一种模糊PID控制器对ROV进行艏向控制。根据ROV运动特点建立空间运动坐标系和ROV艏向运动数学模型表达式,在PID控制基础上引入模糊控制对 PID的 3个参数进行在线调整;在 Matlab/Simulink环境下创建 PID控制器与模糊 PID控制器仿真模型,使用两种控制器对 ROV进行
4、30和 90的艏向控制对比仿真。仿真结果表明,模糊 PID控制较 PID控制超调量分别减少 4、10,系统达到稳定状态的时间也更短,是一种高性能与稳定的ROV艏向控制方式。关键词:海洋渔业;选择性捕捞;有缆水下机器人(ROV);艏向控制;模糊控制;参数整定;仿真模型中图分类号:TN923.334;TP242 文献标识码:A 文章编号:1004373X(2023)18009007Research on ROV heading control method for selective fishing in marine fisheryRONG Ruiya1,JI Fulu1,2,LIU Quanl
5、iang2,HE Bo2(1.School of Ocean Engineering Equipment,Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China;2.Jessn Marine Equipment Co.,Ltd.,Ningbo 315806,China)Abstract:In order to reduce the overexploitation of marine fishery resources,a selective fishing ROV(remote operated vehicle)for marine fishery i
6、s designed,which is used for the protection of juvenile fish and rare fish species during the fishing process.According to the requirements of selective fishing operations in marine fishery,the design of ROV mechanical structure is completed by means of Solidworks software.Due to the characteristic
7、of nonlinear and strong coupling,the ROV motion system will become more unstable when encountering the water flow.In order to improve the stability of ROVs heading motion during the fishing process,a fuzzy PID controller is designed to control the heading of the ROV.According to the characteristics
8、of ROV motion,the space motion coordinate system and the mathematical model expression of ROV heading motion are established.On the basis of PID control,fuzzy control is introduced to make online adjustment of the three parameters of PID.The simulation models of PID controller and fuzzy PID controll
9、er are created in the Matlab/Simulink environment,and the two controllers are used to conduct the comparison simulation of the ROVs heading control of 30 and 90.The simulation results show that in comparison with PID control,the overshoot of the fuzzy PID control is reduced by 4 and 10 respectively,
10、and the time to reach stable state of the system is also shorter.It is a highperformance and stable ROV heading control mode.Keywords:marine fishery;selective fishing;ROV;heading control;fuzzy control;parameter tuning;simulation model收稿日期:20220819 修回日期:20220924基金项目:捷胜海洋装备股份有限公司科研合作项目:海洋渔业精准捕捞智能化装备与控
11、制技术研究(JK2101001)9090第18期有诸多学者提出应用非线性系统的控制技术,主要包括模糊控制、神经网络控制、滑模控制、S面控制、自适应控制以及专家控制等。然而,神经网络控制计算公式复杂,不容易控制收敛性并且对控制系统的软硬件要求高6;滑模控制不能产生连续的滑动模态,并且状态系统在滑模面运动时会出现抖动的问题7;自适应控制只能在一定限度内对状态系统进行控制,即自适应的程度受到一定的约束8;S 面控制是非线性的 PD 控制,控制参数需要人工进行选择,不容易实现9;专家控制在设计上具有随意性和不规范性,其中经验的来源和推理的有效性难以保证10;模糊控制存在对模糊规则设计的合理性以及隶属函
12、数选取的准确性问题,但是相比较于其他的控制系统,有着容易实现和性能较好等优点11。为了提高ROV在水下运动时的稳定性,本文在PID控制基础上,利用模糊控制原理在线对PID参数进行实时调整,设计一种模糊 PID 控制器。在 Matlab/Simulink环境下进行 PID 控制器与模糊 PID 控制器仿真模型搭建,对ROV艏向控制稳定性进行研究。1 ROV结构设计与工作要求海洋渔业选择性捕捞 ROV 长、宽、高分别为 1 m、1.5 m和0.8 m,净重m约为35 kg,稳心高度约为0.053 m。ROV 主要由上下两个封板、螺旋桨推进器、升沉装置、闸门与分鱼装置组成。上下封板主要放置控制模块、
13、电源管理模块与电机组件;螺旋桨推进器共有6个,2个置于水平面用于转艏运动控制,4个置于竖直面用于俯仰和沉浮运动控制;闸门和分鱼装置是 ROV 作业的核心结构,该结构起到对目标鱼类的保留和非目标鱼类的放生的作用。ROV结构示意图如图1所示。图1 ROV结构示意图根据海洋渔业选择性捕捞作业的实际需要,在捕捞工作开始之前需要使用渔用声纳对捕捞水域进行鱼群探测,通过探测可获取鱼群的方位、距离、深度与游速等信息。在探测完确定有鱼群后,将 ROV 随着拖网一起放入水中,当鱼群靠近 ROV 后通过视觉传感器观测鱼的大小和类型。当鱼群的大小为目标鱼类并且成熟的占 60%以上可打开闸门,让鱼群通过分选装置;当鱼
14、群为目标鱼类但是幼鱼占 60%以上或者鱼群不是目标鱼类,关闭闸门让鱼群从 ROV 中通过。对于闸门与分选箱尾部的渔网采用定制设计,通过相应的传感装置使得渔网网口大小可控。2 ROV艏向控制建模分析2.1 空间运动坐标系的建立ROV 运动控制依赖其运动数学模型,而运动坐标系是 ROV运动数学模型建立的基础。本文使用造船和轮机工程学会术语报告和国际水池会议推荐的坐标系统12,坐标系的具体形式如图2所示。图2 ROV空间运动坐标系ROV 在动坐标系中具有 6个自由度,沿 xyz轴直线运动:纵荡(u)、横荡(v)以及垂荡(w);围绕xyz轴旋转运动:横摇(p)、纵摇(q)和艏摇(r)。ROV 艏向数学
15、模型的建立需要对其受到的重力、浮力、驱动力以及环境作用力进行受力分析,然后根据牛顿第二定律进行建模。而牛顿第二定律只适用在惯性坐标系即静坐标系,所以需要将 ROV 运动情况转换到静坐标系下。设 ROV在静坐标系中的位置坐标与姿态角矢量=o,o,o,T,ROV在动坐标系中的线速度与角速度矢量v=u,v,w,p,q,rT,那么静坐标系与动坐标系之间的转换关系为:=J()v (1)式中:J=J103 303 3J2为机器人从动坐标系转换到静坐标系的旋转矢量,J1为动坐标系中线速度变换到静坐戎瑞亚,等:海洋渔业选择性捕捞ROV艏向控制方法研究91现代电子技术2023年第46卷标系中的转换矩阵,J2为动
16、坐标系中的角速度变换到静坐标系中的转换矩阵。2.2 艏向控制建模若不考虑 ROV 和水的相互作用力,根据流体中刚体的牛顿拉格朗日力学方程,水下作业机器人在动坐标系下的六自由度非线性运动方程13可以描述为:Mv+C(v)v+D(v)v+g()=E+(2)式中:M为ROV的惯性矩阵;C(v)为科里奥利力和离心力矩阵;D(v)为流体动力阻尼矩阵,是由辐射诱发的潜在阻尼、线性表面摩擦、波浪漂移阻尼和旋涡脱落阻尼组成的向量;g()为 ROV 浮力和重力项形成的恢复向量;v=u,v,w,p,q,rT为 ROV 在动坐标系中的线速度和角速度向量;E为洋流和水波造成的环境力和力矩向量;为ROV螺旋桨推进器形成
17、的推力和力矩组成的向量。对于 ROV在动系下的六自由度运动数学模型展开式,可以从平移和旋转两点进行研究。在进行分析之前需 要 设 定 ROV 的 重 心 坐 标rG(xG,yG,zG)和 浮 心 坐 标rB(xB,yB,zB),设ROV重心与动系原点不重合的惯性矩阵为I,I的具体表达式为:I=Ixx-Ixy-Ixz-IyxIyy-Iyz-Izx-IzyIzz(3)根据刚体动量定理与式(2),ROV在动系三个坐标轴上的直线运动表达式为:mu-vr+wq-xG()q2+r2+yG()pq-r+zG()pr+q=Xmv-wp+ur-yG()r2+p2+zG()qr-p+xG()qp+r=Ymw -u
18、q+vp-zG()p2+q2+xG()rp-q+yG()rq+p=Z(4)式中:X为 ROV纵荡水动力;Y为 ROV横荡水动力;Z为ROV垂荡水动力。同理,根据动量矩定理与式(2)和式(3),ROV在动系三个坐标轴上的旋转运动表达式为:Ixxp+Ixyq+Ixzr+()Izxp+Izyq+Izzr q-()Iyxp+Iyyq+Iyzr r+myG()w +vp-uq-zG()v+ur-wp=KIyxp+Iyyq+Iyzr+()Ixxp+Ixyq+Ixzr r-()Izxp+Izyq+Izzr p+mzG()u+wp-ur-xG()w +vp-uq=MIzxp+Izyq+Izzr+()Iyxp+
19、Iyyq+Iyzr p-()Ixxp+Ixyq+Ixzr q+mxG()v+ur-wp-yG()u+wq-vr=N(5)式中:K 为 ROV 横摇水动力矩;M 为 ROV 纵摇水动力矩;N为ROV艏摇水动力矩。由式(4)和式(5)可知,ROV 运动学模型具有强的非线性和耦合性,为了让 ROV 控制系统的设计更具便捷性,需要对运动方程进行解耦。由于本文设计的目的是对艏向运动进行控制,假设 ROV 在水平面运动时不进行升沉运动,当 ROV在水平面上运动时,假设v=p=r=0,ROV重心与动系原点重合,即xG=yG=zG=0,且浮心和重心的连线处于竖直方向,同时有zB-zG=h,根据式(4)和式(5
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 海洋渔业 选择性 捕捞 ROV 控制 方法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。