双控制方式下带缆水下机器人轨迹跟踪与水动力响应分析

本文首先根据已有的脐带缆运动控制方程,通过引入与工作船和水下机器人连接点处边界条件和速度耦合关系,与水下机器人运动方程一同构成完整的水动力数学模型;其次提出收放脐带缆的前馈-反馈控制方法和调节螺旋桨转速的增量式PID(Proportion Integration Differentiation)算法,建立完整的带缆水下机器人系统水动力与控制模型;最后对所提出的模型进行数值模拟实验验证与运动控制操纵下的水动力分析。数值计算结果表明:本文所提出的带缆水下机器人系统水动力与控制模型是有效可靠的,垂向运动控制过程中,水下机器人纵摇角、横摇角和沉深的模拟值与实验值最大误差分别为2°、1°和-50 mm;对于PID算法,调节螺旋桨转速控制水下机器人对给定位置信息的跟踪响应效果,模拟值与实验值相差均不大;轨迹跟踪模拟计算沿水平(X轴)方向和竖直(Z轴)方向最大相对误差分别为10%和15%;水下机器人竖向(沿Z轴)运动主要由调节脐带缆长度的前馈-反馈策略决定,沿水平(X轴)方向的运动主要由调节螺旋桨转速的PID算法控制;机器人水动力载荷受其周围流场变化的影响,而流场的变化主要由机器人运动速度的改变和螺旋桨转速变化二者共同决定。

带缆桩国际标准ISO13795绳环的安全隐患及相应结构改进

带缆桩是非常重要的船舶系泊设备,承受载荷大,且安装数量多,一艘船舶要安装20多个带缆桩。带缆桩的绳环,在船舶系泊过程中,与带缆辅助索配合使用;在缆绳收放过程中,保护绞缆机主轴不受力过大。带缆桩绳环的具体形状和安装位置如图1所示。这种带缆桩绳环和安装位置是按照带缆桩国际标准ISO13795-2020要求设计的。

全回转拖轮艏部带缆桩甲板支撑结构强度研究

全回转拖轮船是现阶段开展大型船只拖带及顶推等相关作业时主要的工程船舶,与常见船舶不同的是,全回转拖轮船艏艉部有带缆桩和拖桩等设备,且作业过程中,这些设备容易受到集中载荷作用影响,而导致船舶作业安全性降低,因此,保证设备支撑结构强度尤为关键。为解决全回转拖轮艏部带缆桩在拖带作业期间受到集中载荷作用影响而容易引发安全风险的问题,本文以2200马力全回转拖轮船为研究对象,根据国家及行业现行规范标准,提出一种利用有限元模型分析带缆桩甲板支撑结构强度的方法,并研究对带缆桩支撑结构强度存在影响的因素,参照模型分析结果,制定优化该艏部带缆桩甲板支撑结构的方案,实现有效提高带缆桩甲板支撑结构强度,强化大型船舶作业安全保障。

带缆桩国际标准ISO13795版本升级后还有哪些问题

带缆桩、导缆孔是非常重要的船舶系泊设备。从2012年到2022年这10年中,只在2020年进行了版本升级。从2012年版升级到2020年版,主要的变化是:带缆桩拖带安全工作负荷(towing safe working load)的标注。例如,在2012版中,公称尺寸Dn300A,拖带安全工作负荷85吨,6543kN。在2020版中,公称尺寸Dn300A,拖带安全工作负荷85吨,834kN。同样是85吨的安全工作负荷,2012版是6543kN;2020年版是834kN。两个安全工作负荷相差7.8倍。

大型船舶双排靠泊带缆方案研究

江苏太仓扬子江码头双排靠泊20.8万吨散货船,当两艘20.8万吨散货船双排靠泊时,需要研究两艘20.8万吨散货船双排系泊带缆方案。因此,本文利用OPTIMOOR软件对双排靠泊进行模拟仿真计算分析,并提出两艘20.8万吨散货船并靠期间通航安全保障方案,确保两艘20.8万吨散货船靠泊期间码头水域的通航安全。

基于OCIMIF(MEG4)典型船型船侧靠泊带缆方案研究

以3类典型船型(散货船、油船、集装箱船)船侧靠泊带缆为研究对象,采用MEC4推荐的风力、流力系数进行系泊力计算与分析,不仅能为实船提供多个船侧靠泊带缆布置方案,同时也能为码头安全靠泊带缆管理提供作业依据。

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.

控制动作下带缆遥控水下机器人的水动力特性

首先利用模糊神经网络算法构建了基于完整的带缆遥控水下机器人水动力数学模型的控制器,对水下机器人多自由度上的轨迹和姿态进行控制;然后,针对传统螺旋桨推进力分析方法中的缺陷,引入神经网络相关理论并结合计算流体方法对推进力和转速之间的相互关系进行辨识和换算;在此基础上构建了一个完整的、包括模糊神经控制器、机器人水动力数学模型以及推进力和转速换算模块的带缆遥控水下机器人控制系统;最后,在考虑系统各部分间相互影响的前提下进行了水动力特性的整体分析和计算.数值计算结果表明,所建立的控制系统可以对带缆遥控水下机器人进行有效的轨迹和姿态控制,文中方法可以从整体的角度分析一定控制动作下水下机器人的水动力响应.

UUV水下带缆回收纵向运动研究

对UUV水下带缆回收运动模型进行了受力分析,并结合动力学基本原理建立了适用于UUV水下带缆回收运动的数学模型。在此基础上结合UUV水下带缆回收相关理论知识,文中提出了UUV水下带缆回收的纵向弹道规划,并对其进行了仿真研究。研究结果一方面对文中所提出的UUV水下带缆回收纵向弹道规划进行了可行性验证,另一方面总结出了UUV水下带缆回收的相关结论,具有一定工程实用价值。

船舶高负荷带缆桩设计方法

针对船舶发展过程中系泊系统带缆桩的高承载能力和布置空间受限的设计问题,分析国内外军民船舶带缆桩设计规范的流程及其区别,考虑带缆桩结构强度和使用方式,确定几种提高带缆桩承载能力的方法,能有效满足带缆桩的高承载负荷和布置空间要求。

浮吊锚位设计与带缆辅助就位方法研究

根据海上施工区域的结构物位置、海底管道路由和环境条件因素,阐述如何进行浮吊锚位设计。在浮吊锚位布置受限情况下,提出使用现有结构物作为带缆辅助结构替代工作锚的设计新思路。结合计算软件MOSES、SACS和ANSYS对浮吊锚缆受力与结构物强度进行分析,并在渤海某项目中完成海上施工验证,表明该设计思路的可行性。

中心管式带缆设计理论研究及GYDXTW 576 B1.3研发

目前光缆网络建设中带状光缆的用量呈快速增长。本文简要介绍法尔胜光通公司工程技术人员在特大芯数中心管式带缆方面的结构设计、工艺研究和技术创新,并介绍576芯中心管式光纤带光缆研发成果,供业内同仁参考。

新ISO 13795带缆桩标准的开发、编制及验证

文章全面介绍了新ISO 13795带缆桩标准的开发、编制及验证全过程。在分析原ISO带缆桩标准不足的基础上,结合新的规范规则要求编制新ISO标准。通过简单梁分析法、有限元方法及拉力试验法进行分析、比较与验证,结果证明:新型ISO 13795标准带缆桩尺寸较小,质量较轻、结构合理、强度可靠,更适应船舶市场的需求。

“一”字形码头带缆方式的应用

结合青岛港董家口港区40万吨级矿石码头结构设计,综合分析了相关"一"字形码头断缆现象及断缆原因,针对40万吨级和15万吨级船舶进行了船舶系泊物理模型试验和数学模型试验分析,提出将横缆系船柱向码头后方移动30 m以增加横缆长度的带缆方案。横缆长度增加后,可有效减小横缆缆力30%以上,而艏艉缆缆力略有增大、倒缆缆力则有增有减,变幅在15%以内,各缆绳缆力分布更加均匀、合理,避免断缆现象的发生。

带缆桩系缆模式及强度校核原则分析

带缆桩用于系缆或拖缆,自身需要足够的强度。系缆方式和系缆习惯,决定了带缆桩的负荷。以双柱带缆桩为例,对"8"字系缆模式、绳圈系缆模式等多种系缆模式进行比较,获得各模式下带缆桩负荷情况,深入剖析带缆桩负荷的力学特点,以评判系缆模式是否合理适用。多种系缆模式下,对带缆桩强度校核原则的适应性进行分析,着重阐明带缆桩最大剪切应力计算公式可直接作为带缆桩强度校核准则。

脐带缆液压传输特性等效方法

运用相似性原理,将脐带缆管路液压传输特性与电路电力传输特性进行类比分析,建立了脐带缆液压传输特性液阻、液容、液感数学计算模型,提出了脐带缆液压传输特性等效方法,运用细管等效液阻、蓄能器等效液容、液压马达和飞轮组合等效液感,并分析了等效参数的计算方法。运用AMESim软件,通过无负载泄压,比较脐带缆与等效脐带缆仿真的压力-时间特性;通过开启单个和2个执行器,比较脐带缆与等效脐带缆仿真开关阀的时间及开阀时水下蓄能器压力特性,仿真结果表明脐带缆等效装置能较好地模拟脐带缆开关阀特性。开展了脐带缆等效装置无负载泄压和操作单个执行器实验验证,结果表明等效脐带缆实验泄压时间与脐带缆仿真泄压时间基本一致,泄压曲线较为接近;水下蓄能器的压力变化和开关阀门时间均与仿真结果一致,说明脐带缆等效装置能较好地模拟脐带缆液压传输特性,在水下产品联合测试时可用于替代脐带缆。

带缆水下机器人控制仿真模拟与水动力分析

本文以Fluent多重滑移网格技术对带缆水下机器人系统进行路径跟踪的仿真计算,将收放缆反馈控制与PID算法调节螺旋桨转速的双重控制策略应用于带缆水下机器人系统,并对带缆水下机器人系统升沉运动的控制误差、螺旋桨推力与转速之间的关系、缆绳系统的张力特性以及水下机器人的水动力响应做了分析。文中数值模拟结果表明,双重控制策略下,带缆水下机器人路径跟踪的控制运动较为精确,其升沉运动位移最大误差约为0.2 m;螺旋桨的转速与推力呈正相关性,转速越大,推力也越大;水下机器人沿预定轨迹运动过程中,缆绳系统张力呈现周期性震荡的变化规律,机器人主体受到的水动力荷载与多种因素相关。

带缆桩的设计计算方法

带缆桩在系泊过程中往往会承受很大的载荷。一般情况下,设计者会根据系泊缆绳的破断力,选择使用GB/T 554—2008推荐的适用于该缆绳的带缆桩。但在很多情况下,特别是在工程船舶上,需用到非常规的带缆桩或常规带缆桩需被非常规使用,此时船舶所有人及船检要求提供相关的计算书。根据规范及国标的相关要求,给出带缆桩的设计计算方法,为相关人员提供参考。

嵌入式带缆桩甲板加强结构设计

采用有限元数值计算方法对嵌入式带缆桩典型甲板加强结构尺寸进行计算分析,对比不同连接型式、不同过渡距离等设计方案,计算结果表明,带缆桩加强T型材的腹板高度、面板规格对结构强度影响显著,甲板厚度、带缆桩壁厚等对结构强度影响较小;T型材与带缆桩牢固连接方案较优。

基于反步控制和神经动力学模型的带缆水下潜器航迹跟踪

为实现带缆水下潜器的航迹跟踪控制,对带缆水下潜器设计了运动学反步控制器和动力学滑模控制器,并引入生物启发神经动力学模型来平滑反步控制器中因跟踪误差较大,引起的输出速度跳变。对水下潜器折线路径跟踪进行仿真,并分析脐带缆对跟踪效果的影响。结果显示,所设计控制器的路径跟踪误差小,跟踪速度在初始阶段以及折线路径拐点处过渡平滑;脐带缆使跟踪效果变差。对带缆潜器这一刚性和柔性部件相互连接的水下运载设备而言,神经动力学反步滑模控制器能够较好地实现航迹跟踪,并有效克服传统反步控制器速度跳变的问题。