NO336097B1

NO336097B1 - underwater Vehicle

Info

Publication number: NO336097B1
Application number: NO20130697A
Authority: NO
Inventors: Cong Liu; Houxiang Zhang; Hans Petter Hildre
Original assignee: Høgskolen I Ålesund
Priority date: 2013-05-16
Filing date: 2013-05-16
Publication date: 2015-05-11
Also published as: WO2014185791A9; WO2014185791A1; NO20130697A1

Description

Oppfinnelsens område. Field of the invention.

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et undervannsfartøy for operasjon på en nedsenket overflate på et nedsenket legeme, slik som et skipsskrog under vannlinjen, eller en undervannsinstallasjon, som anført i ingressen til de medfølgende patentkravene. The present invention relates to an underwater vessel for operation on a submerged surface of a submerged body, such as a ship's hull below the waterline, or an underwater installation, as stated in the preamble to the accompanying patent claims.

Bakgrunn for oppfinnelsen. Background for the invention.

Marin begroing på skipsskrog krever konstant vedlikehold når det gjelder inspeksjon og rengjøring. Ansamlingen av marin begroing øker motstandskrefter og forårsaker ekstra drivstofforbruk. Studier har vist at drivstofforbruket til ulike typer skip kan øke med opptil 40 % etter seks måneder i tempererte vann (Woods Hole Oceanographic Institution 1952). Som et eksempel kan drivstofforbruket til ulike typer skip øke med 35 % til 40 % for å opprettholde en hastighet på 20 knop etter 6 måneder i tempererte vann. Periodisk inspeksjon og fjerning av marin begroing kan redusere både skipets driftskostnader og uønskede miljøpåvirkninger betydelig. Marine fouling on ship hulls requires constant maintenance in terms of inspection and cleaning. The accumulation of marine fouling increases drag forces and causes extra fuel consumption. Studies have shown that the fuel consumption of various types of ships can increase by up to 40% after six months in temperate waters (Woods Hole Oceanographic Institution 1952). As an example, the fuel consumption of various types of ships can increase by 35% to 40% to maintain a speed of 20 knots after 6 months in temperate waters. Periodic inspection and removal of marine fouling can significantly reduce both the ship's operating costs and unwanted environmental impacts.

I de senere år har fjernstyrte farkoster (ROV-er) gradvis erstattet tradisjonelt manuelt arbeid gjort av dykkere når det gjelder inspeksjon og rengjøring av skipsskrog som vist i figur 1. Fjerningen av begroing gjøres generelt med børste eller vannstråle. Disse robotplattformene manøvreres enten i fritt vann eller festet til overflaten med støttehjul (Bohlanderetall992). In recent years, remotely operated vehicles (ROVs) have gradually replaced traditional manual work done by divers when it comes to inspecting and cleaning ship hulls as shown in Figure 1. The removal of fouling is generally done with a brush or water jet. These robotic platforms are maneuvered either in free water or attached to the surface with support wheels (Bohlanderetall992).

Markedet krever et produkt som kan bevege seg på komplekse overflater, og fraværende eller begrenset manøvrerbarhet i fritt vann. Vurderinger for et produkt som vil oppfylle kravene, er å tilveiebringe en universell robotplattform i stedet for en spesialisert skrogrengjører, minimere repetitiv utforming fra nåværende kommersielle produkter, og potensial for moderne teknologi når det gjelder sensor og kontroll. The market demands a product that can move on complex surfaces, and absent or limited maneuverability in open water. Considerations for a product that would meet the requirements are providing a universal robotic platform rather than a specialized hull cleaner, minimizing repetitive design from current commercial products, and potential for modern technology in terms of sensor and control.

Publikasjon JP2011-88485A (JP5099788B2) vedrører en undervanns rengjøringsinnretning fra hvilken et vedheng som var tilveiebrakt med en thruster som beveger en hovedinnretning til høyre og venstre, kan beveges under vann, og begroing festet til en veggoverflate under vann fjernes. Et hjul gjør en hovedinnretning bevegelig. Publication JP2011-88485A (JP5099788B2) relates to an underwater cleaning device from which an appendage provided with a thruster that moves a main device to the right and left can be moved underwater, and fouling attached to a wall surface underwater is removed. A wheel makes a main device movable.

Publikasjon WO2010/040171 Al vedrører en undervanns in-situ nettrengjører omfattende et glidechassis (1) (eng.: skid chassis) tilpasset for jevn og snarefri glidning over nettets (2) overflate, et oppdriftsmiddel (3) assosiert med chassiset for å tilveiebringe rengjøreren med oppdrift, et drivmiddel (4) tilpasset for å samarbeide med nettet (2) og manøvrere rengjøreren rundt på nettets overflate, et fremdriftsmiddel (5) tilpasset for å drive rengjøreren frem på og opprettholde kontakt med nettet (2) og et rengjøringsmiddel (6) tilpasset for å fjerne urenheter fra nettet inkludert marin begroing fra nettets overflate for å rengjøre nettet. Publication WO2010/040171 Al relates to an underwater in-situ net cleaner comprising a skid chassis (1) adapted for smooth and snare-free sliding over the surface of the net (2), buoyancy means (3) associated with the chassis to provide the cleaner with buoyancy, a propulsion means (4) adapted to cooperate with the net (2) and maneuver the cleaner around the surface of the net, a propulsion means (5) adapted to propel the cleaner on and maintain contact with the net (2) and a cleaning means (6) ) adapted to remove impurities from the net including marine fouling from the surface of the net to clean the net.

Publikasjon EP0716006A2 og vedrører NO20101673A1 vedrører undervannsfartøyer for rengjøring av skipsskrog. Publication EP0716006A2 and relates to NO20101673A1 relate to underwater vessels for cleaning ship hulls.

Formål med oppfinnelsen. Purpose of the invention.

Oppfinnelsens formål er å tilveiebringe et allsidig undervannsfartøy med en utforming som tar hensyn til miljø, ulike driftskrav og effektiv komponent-layout, bevegelsesovergangs påvirkning på utforming og kontroll, stillingskontrollstrategi på krummede overflater for å optimalisere stilling i henhold til overflate og vann og for å sette opp fremoverreguleringssløyfer for å forbedre kontrollerintegrasjon, og stillingsbestemmelse som involverer forening av sensorer, slik som f. eks. treghetsbestemmelsessensorer og ultrasoniske sensorer. Følgelig er et formål med utformingen til undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en universell plattform for å utføre inspeksjon og vedlikehold på komplekse krumminger på skipsskrog. I en typisk, velkjent frirtflyvende ROV er de viktigste bevegelsesaksenejag, svai, hiv, stamp, gir og rull. Et ytterligere formål med undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et undervannsfartøy som ikke krever et fullt utvalg av disse bevegelsene, men med avansert manøvrerbarhet som har enklere utforming når det gjelder de vanlige anvendte separate eller koblede aktuatorene for å kontrollere alle disse bevegelsene. Med hensyn til miljø, krav og komponent-layout vurderes tilpasning til topologien på skipets akterstavn og baug, og optimalisering av plasseringen av thrustere, og av allokering av oppdrift og ballast, samtidig som stabilitet tas med i beregningen, som kan påvirke balansen på overflaten det skal arbeides på. Når det gjelder innvirkningen av bevegelsesovergang på utforming og kontroll, tar utformingen med i beregningen at rotasjonssenter er CG i vann eller kontaktpunkt på overflate, avhengig av den faktiske modusen, og skiftet av manøvermodus ved f.eks. festeidentifikasjon. Stillingskontrollstrategi vurderer hvilken 0 som skal beholdes, siden vinkelen 9 kan utledes fra treghetsbestemmelsessensorer og kompass, men magnetfeltforvrengning kan forårsakes av et skipsskrog, elektriske motorer og magnetiske hjul, eller vinkelen 0' kan utledes fra ultrasoniske sensorer eller tilleggshjul. Enkle handlinger som hamring, sveising og enhver vibrasjon under konstruksjon eller reparasjoner mens skipet er i jordens magnetfelt gjør at båten blir permanent magnetisert, og skipet kan oppføre seg som en stor stavmagnet. Sensorfusjon- og filtervurderinger kan involvere utnyttelse av f.eks. en treghetsbestemmelsesenhet, eller IMU, for måling og rapportering av farkostens hastighet, orientering og tyngdekrefter, ved å anvende en kombinasjon av akselerometre og gyroskoper, noen ganger også magnetometre. The purpose of the invention is to provide a versatile underwater vessel with a design that takes into account the environment, various operational requirements and efficient component layout, the influence of movement transitions on design and control, position control strategy on curved surfaces to optimize position according to surface and water and to set up forward control loops to improve controller integration, and position determination involving the association of sensors, such as e.g. inertial determination sensors and ultrasonic sensors. Accordingly, one purpose of the design of the underwater vessel according to the present invention is to provide a universal platform for performing inspection and maintenance on complex curvatures on ship hulls. In a typical, well-known free-flying ROV, the most important axes of motion are yaw, yaw, heave, pitch, gear and roll. A further object of the underwater vehicle according to the present invention is to provide an underwater vehicle that does not require a full range of these movements, but with advanced maneuverability that has a simpler design in terms of the commonly used separate or coupled actuators to control all of these movements. With regard to the environment, requirements and component layout, adaptation to the topology of the ship's stern and bow is considered, and optimization of the location of thrusters, and of the allocation of buoyancy and ballast, at the same time stability is taken into account in the calculation, which can affect the balance on the surface must be worked on. Regarding the impact of movement transition on design and control, the design takes into account in the calculation that the center of rotation is the CG in water or contact point on the surface, depending on the actual mode, and the change of maneuver mode by e.g. attachment identification. Attitude control strategy considers which 0 to keep, since angle 9 can be derived from inertial determination sensors and compass, but magnetic field distortion can be caused by a ship's hull, electric motors and magnetic wheels, or angle 0' can be derived from ultrasonic sensors or auxiliary wheels. Simple actions such as hammering, welding, and any vibration during construction or repairs while the ship is in the Earth's magnetic field cause the boat to become permanently magnetized, and the ship can behave like a large bar magnet. Sensor fusion and filter assessments may involve the utilization of e.g. an inertial measurement unit, or IMU, for measuring and reporting the vehicle's speed, orientation and gravity, using a combination of accelerometers and gyroscopes, sometimes also magnetometers.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen. Brief description of the invention.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et undervannsfartøy som kan opereres i en første modus for frisvømming og en andre modus for klatring på en nedsenket overflate på en gjenstand, hvis trekk er anført i det medfølgende selvstendige patentkravet 1. The present invention provides an underwater vehicle that can be operated in a first mode for free swimming and a second mode for climbing on a submerged surface of an object, the features of which are set forth in the accompanying independent patent claim 1.

Trekk av spesifikke utførelsesformer av undervannsfartøyet ifølge oppfinnelsen er anført i de medfølgende uselvstendige patentkravene 2-10. Features of specific embodiments of the underwater vessel according to the invention are listed in the accompanying independent patent claims 2-10.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen. Detailed description of the invention.

Undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen omfatter en flermodusplattform som inkluderer et mekatronisk system, som arver sterke dynamiske egenskaper og krever kompetente kontrollskjemaer. Operasjonen i "svømmemodusen" er i noen aspekter beslektet med bevegelsen av en konvensjonell ROV, mens de dynamiske egenskapene under "vognmodus"-operasjon skiller seg betydelig fra dem til en konvensjonell ROV. For en studie eller analyse av ytelse, og beskrivelse av operasjonsmodusene på generell form, kan en enkelt thruster representere en flerhet thrustere i et faktisk undervannsfartøy 1 som innbefatter trekkene i den foreliggende oppfinnelsen. The underwater vessel 1 according to the present invention comprises a multi-mode platform that includes a mechatronic system, which inherits strong dynamic characteristics and requires competent control schemes. The operation in the "swimming mode" is in some aspects akin to the movement of a conventional ROV, while the dynamic characteristics during "carriage mode" operation differ significantly from those of a conventional ROV. For a study or analysis of performance, and description of the modes of operation in general form, a single thruster may represent a plurality of thrusters in an actual underwater vessel 1 incorporating the features of the present invention.

Undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen er utformet som en universell plattform for å utføre inspeksjon og vedlikehold på komplekse krumminger på skipsskrog 2. Dets primære bevegelsesmodus, heretter omtalt som "vognmodus", er å feste seg til en overflate på et skipsskrog eller lignende overflate på et nedsenket legeme 2, med to magnetiske hjul 200a, 200b, ledsaget av én vektorstyrt thruster 300, eller et par med vektorstyrte thrustere 300a, 300b, for å drive frem og balansere legemet. I vognmodusen blir fartøyet stående i ulike stillinger i forhold til overflaten. Tilbakeføringsmomentet som forårsakes av paret av oppdriften og tyngdekraften kompenseres for av thrusterne, for å holde fartøyet i den forventede stillingen. "Frisvømme"-modusen er den sekundære bevegelsesmodusen til undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen, typisk anvendt når robotundervannsfartøyet 1 ifølge oppfinnelsen først utplasseres på et sted borte fra overflaten på skipsskroget 2, når det kommer inn i en vanskelig situasjon, slik at roboten kan manøvrere i åpent vann ved å utnytte thrusterne sine. I frisvømmemodus plasserer fartøyet 1 sitt XT-plan i det horisontale planet. I denne situasjonen ballastes tyngdepunktet atskilt fra oppdriftspunktet. Plasseringen av oppdriftspunktet bestemmes generelt av fartøyets totale nedsenkede geometri, men et middel for oppdriftskontroll er også overveid. Et tilbakeføringsmoment, forårsaket av den sideforskj øvede oppdriften og tyngdekraften, dannes når fartøyet ikke ligger i det horisontale planet. The underwater vessel 1 according to the present invention is designed as a universal platform for performing inspection and maintenance on complex curvatures of ship hulls 2. Its primary mode of movement, hereinafter referred to as "carriage mode", is to attach to a surface of a ship hull or similar surface of a submerged body 2, with two magnetic wheels 200a, 200b, accompanied by one vector-controlled thruster 300, or a pair of vector-controlled thrusters 300a, 300b, to propel and balance the body. In carriage mode, the vessel is left in various positions in relation to the surface. The restoring moment caused by the pair of buoyancy and gravity is compensated for by the thrusters, to keep the craft in the expected position. The "free swimming" mode is the secondary movement mode of the underwater vehicle 1 according to the present invention, typically used when the robotic underwater vehicle 1 according to the invention is first deployed in a place away from the surface of the ship's hull 2, when it enters a difficult situation, so that the robot can maneuver in open water by utilizing its thrusters. In free-swimming mode, vessel 1 places its XT plane in the horizontal plane. In this situation, the center of gravity is ballasted separately from the buoyancy point. The location of the buoyancy point is generally determined by the overall submerged geometry of the vessel, but a means of buoyancy control is also considered. A restoring moment, caused by the side-shifted buoyancy and gravity, is created when the vessel is not in the horizontal plane.

Balanseringsbevegelsen oppnås generelt ved en ombordkontroller til fartøyet 1 ifølge oppfinnelsen. The balancing movement is generally achieved by an on-board controller for the vessel 1 according to the invention.

Fartøyet 1 ifølge oppfinnelsen manøvreres fordelaktig av mennesker over vann gjennom et tjor. Den menneskelige manøverinputen inkluderer, men er ikke begrenset til, bytte av kontrollmodus, bevegelses- og styringskommandoer, og innretningskonfigurasjoner. Fartøyet sender også data og video til mennesket gjennom tjoret. The vessel 1 according to the invention is advantageously maneuvered by people over water through a tether. The human maneuver input includes, but is not limited to, control mode switching, movement and steering commands, and device configurations. The vessel also sends data and video to the human through the tether.

Kontrollskjemaet som er overveid, omfatter en kontroller, slik som f.eks. i systemet illustrert i figur 12a eller figur 12b. Kontrolleren håndterer den menneskelige operatørens kommando- og manøverinput og styrer bevegelsen av hver aktuator i henhold til kontrollskjemaet for hver arbeidsmodus. I svømmemodusen drives fartøyet frem av thrusterne sine, som styres av kontrolleren under menneskelig kommando. I klatremodusen tilpasses kontrolleren til den krummede overflaten den arbeider på, tilveiebrakt med et kontrollskjema for manøvrering og navigering på komplekse overflater. Kontrolleren kan bytte mellom de to bevegelsesmodusene som har spesifikke kontrollskjemaer i fritt vann og på overflaten. The control scheme considered includes a controller, such as e.g. in the system illustrated in figure 12a or figure 12b. The controller handles the human operator's command and maneuver input and controls the movement of each actuator according to the control scheme for each work mode. In swim mode, the craft is propelled by its thrusters, which are controlled by the controller under human command. In climb mode, the controller adapts to the curved surface it is working on, provided with a control scheme for maneuvering and navigating complex surfaces. The controller can switch between the two movement modes that have specific control schemes in free water and on the surface.

Balanseringsbevegelsen oppnås ved servokontrollen av orienteringen til skyvekraften tilveiebrakt av en eller flere thrustere 300. En mulig løsning er å ha en thruster med fiksert orientering, mens robotens stilling kontrolleres ved å justere propellhastigheten. Men på grunn av tregheten til thrusterens 300 motor 310 og propell 320, og til fluidet, synes reaksjonen på endringen av propellhastighet ikke å være så rask som endringen av thrusterens orientering. Derfor har en første utforming av undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen i en fordelaktig utførelsesform kun tatt i bruk en The balancing movement is achieved by the servo control of the orientation of the thrust provided by one or more thrusters 300. A possible solution is to have a thruster with a fixed orientation, while the position of the robot is controlled by adjusting the propeller speed. However, due to the inertia of the thruster 300 motor 310 and propeller 320, and to the fluid, the response to the change in propeller speed does not appear to be as fast as the change in thruster orientation. Therefore, a first design of the underwater vessel 1 according to the present invention in an advantageous embodiment has only used a

vektorstyrt thruster, som illustrert i den medfølgende figuren 2. vector controlled thruster, as illustrated in the accompanying figure 2.

Men for å tilveiebringe mer tilstrekkelig og balansert fremdrift, er det i en annen fordelaktig utførelsesform foreslått et dobbelvektorstyrt thrusterskjema, som illustrert i figur la-ld. En fordel med symmetriske vektorstyrte thrustere er den mer effektive manøvreringen i girbevegelse. However, in order to provide more adequate and balanced propulsion, in another advantageous embodiment, a double-vector controlled thruster scheme is proposed, as illustrated in figures la-ld. An advantage of symmetrical vector-controlled thrusters is the more efficient maneuvering in gear movement.

For en geometrisk og dynamisk analyse antar vi at origo for legeme-koordinaten samsvarer med massesenteret, som antas å være i et sentralt lokalisert symmetriplan for utformingen. Hvis thrusterne er plassert på Y-aksen, er derfor den resulterende kraften av disse to thrusterne i et plan som skjærer massesenteret når de to thrusterne produserer lik skyvekraft ved samme orientering. Roboten vil kun ha overgangsbevegelse i XZ-planet. Med andre ord vil roboten ikke kunne justere stillingen hvis det er noen forstyrrelse i XZ-planet. På den andre siden, på grunn av flat form på legemet til undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen, kan ballasten og oppdriften fortsatt ikke tilveiebringe tilfredsstillende moment. For a geometric and dynamic analysis, we assume that the origin of the body coordinate corresponds to the center of mass, which is assumed to be in a centrally located plane of symmetry for the design. Therefore, if the thrusters are located on the Y-axis, the resultant force of these two thrusters is in a plane that intersects the center of mass when the two thrusters produce equal thrust at the same orientation. The robot will only have transition movement in the XZ plane. In other words, the robot will not be able to adjust its position if there is any disturbance in the XZ plane. On the other hand, due to the flat shape of the body of the underwater vessel according to the present invention, the ballast and buoyancy still cannot provide satisfactory torque.

Thrusterne plasseres endelig borte fra tyngdepunktet. Følgelig kan fremdriften til The thrusters are finally placed away from the center of gravity. Consequently, the progress of

hver thruster dannes i en hvilken som helst retning i planet som ligger parallelt med YZ-planet og samsvarer med propellens senter, med full drivkraft i rotasjonsbevegelser, og én drivkraft langs X-aksen. each thruster is formed in any direction in the plane parallel to the YZ plane and corresponding to the center of the propeller, with full thrust in rotational motion, and one thrust along the X axis.

Differensialskyvekraftorienteringen vil resultere i rullmomentet, og differensialskyvekraftintensiteten resulterer i girmoment. Stamp-, rull- og girbevegelsene defineres som rotasjonsbevegelsene om henholdsvis X-, Y- og Z-aksen, vist i figur 15a. The differential thrust orientation will result in the roll torque, and the differential thrust intensity results in the yaw torque. The stamp, roll and gear movements are defined as the rotational movements about the X, Y and Z axes respectively, shown in figure 15a.

I det følgende vil den foreliggende oppfinnelsen bli forklart mer detaljert i form av eksempler og med henvisning til de medfølgende tegningene, der In the following, the present invention will be explained in more detail in the form of examples and with reference to the accompanying drawings, where

Figur la er en perspektivrisstegning som illustrerer en første utførelsesform av et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen som er nedsenket og opererer på en overflate på en nedsenket struktur; Figur lb er et perspektivriss som detaljert tegner den første utførelsesformen av et undervannsfartøy illustrert i figur la, med delvis gjennomsiktige legemeelementer; Figur lc er et perspektivriss som detaljert tegner den første utførelsesformen av et undervannsfartøy illustrert i figur la og lb, med et stillingsfølende element; Figur lc er et sideriss av et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen, som er nedsenket og opererer på en overflate på en nedsenket struktur, med angivelser av oppdrifts- og tyngdepunkt; Figur 2 er en perspektivrisstegning som illustrerer en andre utførelsesform av et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen, som er nedsenket og opererer på en overflate på en nedsenket struktur; Figur 3 og 4 er perspektivrisstegninger som i form av den andre utførelsesformen illustrerer referansesystemer og -krefter som virker for å tas i betraktning i bevegelses-og stillingskontroll; Figur 5a og 5b er siderisstegninger som i form av varianter av den andre utførelsesformen illustrerer ytterligere referansesystemer og -krefter som virker fra tyngdekraft og oppdrift i ulike konfigurasjoner, for å tas i betraktning i bevegelses- og stillingskontroll; Figur 6a og 6b er skjematiske båndgraftegninger som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved henholdsvis et generelt rammeverk som viser I-felt som er nyttige for modellgjengivelse og simulering med modulerte transformerelementer MTF, og rammeverket som er spesifikt for parametere og kontrolldynamikk for et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen; Figur 7a og 7b er perspektivrisstegninger som i form av den andre utførelsesformen illustrerer henholdsvis krefter som virker på et enkelt hjul i hjulsettet, og kreftene som virker på det enkelte hjulet, translatert til krefter og moment påført på fartøyets legeme; Figur 8 er en skjematisk båndgraftegning som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved modellrepresentasjonskontrolldynamikk og - parametere relatert til det enkelte hjulet illustrert i figur 7a og 7b; Figur 9a og 9b er perspektivrisstegninger som i form av den andre utførelsesformen illustrerer henholdsvis krefter som virker ved input fra en vektorstyrt thruster, og kreftene som virker ved input fra den vektorstyrte thrusteren, translatert til krefter og moment påført på fartøyets legeme; Figur 10 er en skjematisk båndgraftegning som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved modellrepresentasjonskontrolldynamikk og - parametere relatert til thrusteren illustrert i figur 9a og 9b; Figur 11 er en skjematisk forenklet båndgraftegning som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem ved modellrepresentasjonskontrolldynamikk og - parametere relatert til en fluidstrømforstyrrelse på fartøyet basert på strømkraft FDst som virker på fartøyets legeme, translatert til kraft og moment påført fartøyets legeme; Figur 12a og 12b er blokkskjemategninger av et generelt kontrollskjema til et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen, henholdsvis uten og med en fremoverreguleringsanordning; Figur 13 er en første grafplottegning som illustrerer en simulering av stillingsvinkelkontroll ved kun thruster på et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen som opererer i bevegelsesmodusen under tilstander med fluktuerende fluidstrømforstyrrelse, og Figur 14 er en andre grafplottegning som illustrerer en simulering av stillingsvinkelkontroll ved både thruster og hjul på et undervannsfartøy ifølge den foreliggende oppfinnelsen som opererer i bevegelsesmodusen under tilstandene med den fluktuerende fluidstrømforstyrrelsen. Figure la is a perspective drawing illustrating a first embodiment of an underwater vessel according to the present invention which is submerged and operates on a surface of a submerged structure; Figure 1b is a perspective view detailing the first embodiment of an underwater vessel illustrated in Figure 1a, with partially transparent body elements; Figure 1c is a perspective drawing detailing the first embodiment of an underwater vessel illustrated in Figures la and lb, with a position sensing element; Figure 1c is a side view of an underwater vessel according to the present invention, which is submerged and operating on a surface of a submerged structure, with indications of buoyancy and center of gravity; Figure 2 is a perspective drawing illustrating a second embodiment of an underwater vessel according to the present invention, which is submerged and operates on a surface of a submerged structure; Figures 3 and 4 are perspective drawings which, in the form of the second embodiment, illustrate reference systems and forces acting to be taken into account in movement and position control; Figures 5a and 5b are side elevational views which, in the form of variants of the second embodiment, illustrate additional reference systems and forces acting from gravity and buoyancy in various configurations, to be taken into account in motion and position control; Figures 6a and 6b are schematic band graph drawings illustrating a basis for the underwater vessel's control system by respectively a general framework showing I-fields useful for model rendering and simulation with modulated transformer elements MTF, and the framework specific to parameters and control dynamics for an underwater vessel according to the the present invention; Figures 7a and 7b are perspective drawings which, in the form of the second embodiment, illustrate respectively forces acting on a single wheel in the wheelset, and the forces acting on the individual wheel, translated into forces and moments applied to the body of the vessel; Figure 8 is a schematic ribbon diagram illustrating a basis for the underwater vessel's control system by model representation control dynamics and parameters related to the individual wheel illustrated in Figures 7a and 7b; Figures 9a and 9b are perspective drawings which, in the form of the second embodiment, illustrate respectively forces that act upon input from a vector-controlled thruster, and the forces that act upon input from the vector-controlled thruster, translated into forces and moments applied to the vessel's body; Figure 10 is a schematic ribbon diagram illustrating a basis for the underwater vessel's control system by model representation control dynamics and parameters related to the thruster illustrated in Figures 9a and 9b; Figure 11 is a schematically simplified ribbon diagram illustrating a basis for the underwater vessel's control system by model representation control dynamics and parameters related to a fluid flow disturbance on the vessel based on current force FDst acting on the vessel's body, translated into force and moment applied to the vessel's body; Figures 12a and 12b are block diagram drawings of a general control scheme for an underwater vessel according to the present invention, respectively without and with a forward control device; Figure 13 is a first graph plot drawing illustrating a simulation of pitch angle control by thrusters only on an underwater vessel according to the present invention operating in the movement mode under conditions of fluctuating fluid flow disturbance, and Figure 14 is a second graph plot drawing illustrating a simulation of pitch angle control by both thrusters and wheels on an underwater vessel according to the present invention operating in the motion mode under the conditions of the fluctuating fluid flow disturbance.

I det følgende er det beskrevet ulike utformingsaspekter, og vurderinger og fordelaktige simuleringer, for å bestemme egenskaper ved undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen. In the following, various design aspects, and assessments and advantageous simulations, are described in order to determine characteristics of the underwater vessel according to the present invention.

For analyse og ytterligere forklaringer på utformingsaspekter og operasjonelle aspekter ved undervannsfartøyet ifølge den foreliggende oppfinnelsen som er tilveiebrakt i det følgende, er treghetsreferanserammen definert med X-, Y-, Z-akse og origo 0. Fartøyet er ansett som et stivt legeme med en total masse og en koordinatramme fiksert til legeme med Xb-, Yb-, Zb-akse og origo Ob. Origo o er definert i senterpunktet mellom de to hjulene, som vist i figur 3. For analysis and further explanations of design aspects and operational aspects of the underwater vessel according to the present invention provided in the following, the inertial reference frame is defined with X-, Y-, Z-axis and origin 0. The vessel is considered a rigid body with a total mass and a coordinate frame fixed to the body with Xb, Yb, Zb axis and origin Ob. The origin o is defined at the center point between the two wheels, as shown in figure 3.

Koordinaten fiksert til legeme er utledet fra treghetsreferanseramme med overgangsforskyvning av Dx, Dy, Dz og Euler-vinkler 0 og (p om henholdsvis X-, Y-og Z-akse, som illustrert i figur 3, 4 og 5. Rotasjonsrekkefølgen er imidlertid i akserekkefølgen Z, Y og så X. The coordinate fixed to the body is derived from the inertial reference frame with transitional displacement of Dx, Dy, Dz and Euler angles 0 and (p about the X, Y and Z axis respectively, as illustrated in figures 3, 4 and 5. The order of rotation is, however, in axis order Z, Y and then X.

I tillegg, for å illustrere kontakten mellom hjulet 200 og en overflate på et nedsenket legeme 2, introduseres banekoordinaten med Xt-, Yt-, Zt-akse og origo 0t som samsvarer med origo i koordinat fiksert til legeme. I tillegg arver banekoordinaten den samme Euler-vinkelen \\ f, der dennes rotasjon først gjøres i derivasjonen av koordinat fiksert til legeme, mens akse Ztholdes vinkelrett på XY-planet, som vist i figur 3 og 4. Banekoordinaten kan ses som en mellomliggende koordinat mellom treghetsreferanserammen og koordinaten fiksert til legeme. In addition, to illustrate the contact between the wheel 200 and a surface of a submerged body 2, the trajectory coordinate is introduced with Xt, Yt, Zt axis and origin 0t which corresponds to the origin in coordinate fixed to the body. In addition, the path coordinate inherits the same Euler angle \\ f, where its rotation is first done in the derivation of the coordinate fixed to the body, while axis Z is held perpendicular to the XY plane, as shown in figures 3 and 4. The path coordinate can be seen as an intermediate coordinate between the inertial reference frame and the coordinate fixed to the body.

Chassisutformingsvurderinger. Chassis design considerations.

Det henvises nå til figur la, lb, lc og 2. Chassiset eller legemet 100, som utgjør hovedlegemet av undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen, er generelt et avlangt, stivt legeme, som bidrar til fartøyets store treghet. Fartøyets legemeramme 110 er fordelaktig bygget med plastrør og platemetall. Kamre 140, 240, 340, aktuatorer og sensorer 500 er fordelaktig montert på platerammen 110 med klemmer eller festeanordninger. Reference is now made to figures la, lb, lc and 2. The chassis or body 100, which constitutes the main body of the underwater vessel 1 according to the present invention, is generally an elongated, rigid body, which contributes to the vessel's great inertia. The vessel's body frame 110 is advantageously built with plastic pipes and sheet metal. Chambers 140, 240, 340, actuators and sensors 500 are advantageously mounted on the plate frame 110 with clamps or fastening devices.

En vanntett kasse 140 plassert i midten av fartøyet er utformet for å inneholde de elektriske og elektroniske innretningene, og batteri. Kassen 140 er i kommunikasjon med andre kamre 240, 340 med slange eller rør, som har signal- og strømkablene inni. En ultrasonisk sensor 500 er montert på en justerbar plattform, som innretter sensorens 500 siktlinje 550 slik at den har en vinkel som fordelaktig er på mellom 15° og 45° til en retning av en lengdeakse 150 til legemet, hvilket gjør den ultrasoniske sensoren i stand til å detektere avstanden til en overflate på et nedsenket legeme 2. Derfor utledes fartøyets stilling i forhold til overflaten. A waterproof box 140 placed in the middle of the vessel is designed to contain the electrical and electronic devices, and battery. The box 140 is in communication with other chambers 240, 340 with hose or pipe, which have the signal and power cables inside. An ultrasonic sensor 500 is mounted on an adjustable platform, which aligns the line of sight 550 of the sensor 500 so that it has an angle advantageously between 15° and 45° to a direction of a longitudinal axis 150 of the body, enabling the ultrasonic sensor to detect the distance to a surface on a submerged body 2. Therefore, the position of the vessel in relation to the surface is derived.

Fartøyets totalvekt er typisk ballastet tilsvarende fartøyets 1 oppdrift når det er fullstendig nedsenket. Men når fartøyet ikke er plassert med sin lengdeakse 150 orientert bort fra den vertikale retningen, dvs. bort fra tyngdekraftens retning, fører tilveiebringelse av avstanden rgb mellom oppdriftspunktet Cb og tyngdepunktet Cg til et tilbakeføringsmoment, forårsaket av oppdrift B og tyngdekraft G, som vist i figur 5. Som vist i figur 6b sammenstiller chassislegemet all ekstern kraftinput gjennom sin 1-forbindelse (eng.: 1-junction). Disse kreftene overlagres og gjelder så I-feltet. Et resistorelement R representerer fluidet og mekanisk friksjon påført på fartøyet. The vessel's total weight is typically ballasted corresponding to the vessel's 1 buoyancy when fully submerged. However, when the vessel is not positioned with its longitudinal axis 150 oriented away from the vertical direction, i.e. away from the direction of gravity, providing the distance rgb between the buoyancy point Cb and the center of gravity Cg leads to a restoring moment, caused by buoyancy B and gravity G, as shown in figure 5. As shown in figure 6b, the chassis body compiles all external power input through its 1-junction. These forces are superimposed and then apply to the I-field. A resistor element R represents the fluid and mechanical friction applied to the vessel.

Den generelle modelleringsstrukturen til legemet til fartøyet ifølge oppfinnelsen er representert ved marint fartøy båndgrafmodell, som vist i figur 3. Treghetsmatrisen M er definert med fartøy vekt m, den skjevsymmetriske matrisen om posisjonen til tyngdepunktet rg og treghetstensoren {I}, der I er identitetsmatrisen. The general modeling structure of the body of the vessel according to the invention is represented by a marine vessel ribbon graph model, as shown in figure 3. The inertia matrix M is defined by vessel weight m, the skew-symmetric matrix about the position of the center of gravity rg and the inertia tensor {I}, where I is the identity matrix.

Fartøyets bevegelse genereres i form av strømning i koordinatsystemet fiksert til legeme. Ved å benytte et modifisert transformatorelement MTF integreres hastighetsflyten inn i posisjon og translateres til treghetsreferanseramme for transformasjon mellom koordinat fiksert til legeme og banekoordinat. The vessel's movement is generated in the form of flow in the coordinate system fixed to the body. By using a modified transformer element MTF, the velocity flow is integrated into position and translated to the inertial reference frame for transformation between coordinate fixed to the body and path coordinate.

Hiulutformingsvurderinger. Hiulu design reviews.

De to hjulene 200a, 200b på hver side av fartøyet 1 er fordelaktig drevet av separate servo-DC-motorsystemer 241a, 241b rommet i et hjulmotorkammer 240. Styringen oppnås med en differensialbevegelse på hjulene. The two wheels 200a, 200b on each side of the vessel 1 are advantageously driven by separate servo DC motor systems 241a, 241b housed in a wheel motor chamber 240. Steering is achieved with a differential movement of the wheels.

Et gummidekk på felgen til hvert av hjulene forbedrer grepet mellom fartøyet 1 og den ferromagnetiske overflaten på skipsskroget eller det nedsenkede legemet 2. Ved å velge en egnet dekktykkelse er det mulig å innstille den magnetiske kraften til å gi etter for den maksimale skyvekraften som leveres av thrusteren, og likevel tilveiebringe tilstrekkelig hjultrekkevne til å foreta krevende manøvre. A rubber tire on the rim of each of the wheels improves the grip between the vessel 1 and the ferromagnetic surface of the ship's hull or submerged body 2. By choosing a suitable tire thickness it is possible to set the magnetic force to yield to the maximum thrust provided by the thruster, and still provide sufficient wheel traction to carry out demanding manoeuvres.

Figur 7a viser kreftene og dreiemomentet som påføres hjulet. Fxt og Fzt er henholdsvis trekkraften og normalkraften. Den laterale kraften Fyt tilveiebringer fartøyet sentripetalkraft når fartøyet snur. I figur 7b transformeres kreftene Fxt, Fyt og Fzt til kreftene med den samme størrelsen og orienteringen ved origo O, sammen med induserte momenter Mfxt, Mfyt og Mfzt, der W er fartøyets bredde, rwh er hjulets radius. Derfor viser kreftene og dreiemomentene i figur 7b kraftinputen til chassislegemet 100 fra ett hjul 200a, 200b. Figure 7a shows the forces and torque applied to the wheel. Fxt and Fzt are the traction force and the normal force, respectively. The lateral force Fyt provides the vessel with centripetal force when the vessel turns. In Figure 7b, the forces Fxt, Fyt and Fzt are transformed into the forces with the same magnitude and orientation at the origin O, together with induced moments Mfxt, Mfyt and Mfzt, where W is the width of the vessel, rwh is the radius of the wheel. Therefore, the forces and torques in Figure 7b show the power input to the chassis body 100 from one wheel 200a, 200b.

Hjulaksen 250 regnes som dreiesenteret som korresponderer med en dreievinkel 9 for fartøyets 1 legeme 100 i forhold til en overflate på skipsskroget eller det nedsenkede legemet 2. Hjulet 200 påfører kraften Fwh og det induserte momentet Mwh på chassislegemet 100. The wheel axis 250 is considered the center of rotation which corresponds to a rotation angle 9 for the body 100 of the vessel 1 in relation to a surface on the ship's hull or the submerged body 2. The wheel 200 applies the force Fwh and the induced moment Mwh to the chassis body 100.

I båndgrafundermodellen vist i figur 8, som illustrerer en basis for undervannsfartøyets kontrollsystem, drives hjulet av en modulert innsatskilde (eng.: modulated effort source) med en dreiemomentinput, som tilveiebrakt ifølge figur 6.1 tillegg er terrenget beskrevet som en modulert flytkilde (eng.: modulated flow source), som bestemmer fartøyets 1 laterale bevegelse. Kraften Fxt som induseres av moment Mwh, introduseres med en nullforbindelse (eng.: zero-junction) og en transformator som representerer hjulradiusen. In the ribbon graph sub-model shown in figure 8, which illustrates a basis for the underwater vessel's control system, the wheel is driven by a modulated effort source (eng.: modulated effort source) with a torque input, which provided according to figure 6.1 addition, the terrain is described as a modulated flow source (eng.: modulated flow source), which determines the vessel's 1 lateral movement. The force Fxt induced by moment Mwh is introduced with a zero-junction and a transformer representing the wheel radius.

Dekket er forenklet i modellen som et klassisk fjærdempersystem mellom terrenginput og chassislegemet. Den laterale friksjonen mellom hjulet og overflaten er manipulert som en coulomb-friksjonsmodell. Derfor oppstår det ingen skrens før den laterale kraften overstiger terskelen, som bestemmes av kraften i Z-retning. The tire is simplified in the model as a classic spring damper system between the terrain input and the chassis body. The lateral friction between the wheel and the surface is manipulated as a coulomb friction model. Therefore, no skidding occurs until the lateral force exceeds the threshold, which is determined by the force in the Z direction.

Dekktykkelsen er fordelaktig ca. 0,6 mm. Ved å velge en optimal dekktykkelse er det mulig å innstille den magnetiske kraften til å gi etter for den maksimale skyvekraften fra thrusteren, og likevel tilveiebringe tilstrekkelig trekkevne til manøvrering. The tire thickness is advantageously approx. 0.6 mm. By choosing an optimal tire thickness, it is possible to set the magnetic force to yield to the maximum thrust from the thruster, and still provide sufficient tractive power for maneuvering.

Resultatet av hjulmodellen i figur 8 er en multibånd med 3 krefter og 3 momenter etter at den er translatert av en transformator med hensyn til origo i banekoordinat. The result of the wheel model in figure 8 is a multiband with 3 forces and 3 moments after it has been translated by a transformer with respect to the origin in the path coordinate.

Thrusterutformingsvurderinger. Thruster design considerations.

Hjulene 200a, 200b er plassert på det som her omtales som den øvre enden av det avlange chassislegemet 100, mens den vektorstyrte thrusteren 300, eller thrusterne 300a, 300b, foretrukket er plassert på den motstående, nedre enden av chassislegemet 100. Orienteringen eller vektorstyringen av thrusterens 300, 300a, 300b skyvekraft bestemmes av en servomotor som er tilpasset for å rotere thrusteren 300 om en rotasjonsakse 350, 350a, 350b til en effektiv thrustervinkel a som typisk vil korrespondere med skyvekraftorienteringen til Zb-aksen i koordinaten fiksert til legeme, mens skyvekraftverdien kan være satt til en fast verdi som kan tilveiebringe tilstrekkelig skyvekraft til å manipulere stillingen og også drive undervannsfartøyet frem mot fluidmotstand indusert av havstrøm, som illustrert i figur 9a. The wheels 200a, 200b are located on what is referred to here as the upper end of the elongated chassis body 100, while the vector-controlled thruster 300, or the thrusters 300a, 300b, are preferably located on the opposite, lower end of the chassis body 100. The orientation or vector control of the thrust of the thruster 300, 300a, 300b is determined by a servo motor adapted to rotate the thruster 300 about a rotation axis 350, 350a, 350b to an effective thruster angle a which will typically correspond to the thrust orientation of the Zb axis in the coordinate fixed to the body, while the thrust value can be set to a fixed value that can provide sufficient thrust to manipulate the position and also propel the underwater vessel forward against fluid resistance induced by ocean currents, as illustrated in Figure 9a.

Men for å bestemme noen fordelaktige operasjonsegenskaper for undervannsfartøyet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelsen, er thrusteren satt til en konstant hastighet mens thrustervinkelen a tilordnes som kontrollparameteren. I situasjonen som er illustrert i figur 9b, overføres en indusert skyvekraft Fth til hjulakselen, i tillegg til et moment Mth. Balanseringsmomentet tilveiebringes så av momentet Mth, der L er lengden langs fartøylegemet fra thruster til dreieakse, og a er skyvekraftorienteringen til Zb-aksen i koordinaten fiksert til legeme. Følgelig: However, in order to determine some advantageous operational characteristics for the underwater vessel 1 according to the present invention, the thruster is set at a constant speed while the thruster angle a is assigned as the control parameter. In the situation illustrated in Figure 9b, an induced thrust force Fth is transmitted to the wheel axle, in addition to a moment Mth. The balancing moment is then provided by the moment Mth, where L is the length along the vessel body from the thruster to the axis of rotation, and a is the thrust orientation of the Zb axis in the coordinate fixed to the body. Accordingly:

En proporsjonal integrasjon derivasjon-kontroller (PID-kontroller) benyttes til å styre stillingsvinkelen eller legemevippevinkelen 9 mellom chassis og overflate, ved å aktivt justere thrusterorienteringen. Den modulerte innsatskilden, representert ved MSe i figur 10, modifiseres med en tilleggssignalinput av legemevippevinkelen 9 og skyvekraftsettpunktet. Resultatet av ikke-null generaliserte krefter, som er de resulterende kreftene og momentene som påføres fartøyet, er som følger: A proportional integration derivation controller (PID controller) is used to control the pitch angle or body tilt angle 9 between chassis and surface, by actively adjusting the thruster orientation. The modulated input source, represented by MSe in Figure 10, is modified with an additional signal input of the body roll angle 9 and the thrust setpoint. The resultant of non-zero generalized forces, which are the resultant forces and moments applied to the vessel, are as follows:

Orienteringen til den vektorstyrte thrusteren kontrolleres av en aktuator, slik som f.eks. en posisjonsservomotor 341a, 341a rommet i et respektivt kammer 340, som har begrenset rotasjonshastighet. Derfor prosesseres den resulterende orienteringen fra kontrolleren av en ratebegrenser. The orientation of the vector-controlled thruster is controlled by an actuator, such as e.g. a position servo motor 341a, 341a the space in a respective chamber 340, which has limited rotation speed. Therefore, the resulting orientation from the controller is processed by a rate limiter.

Utformingsvurderinger vedrørende hydrodynamiske krefter. Design assessments regarding hydrodynamic forces.

Effekten av hydrodynamiske krefter vurderes med hensyn til tre store bidragsytere: demping, havstrømforstyrrelse og tilbakeføringsmoment forårsaket av oppdrift og tyngdekraft. The effect of hydrodynamic forces is assessed with respect to three major contributors: damping, ocean current disturbance and restoring torque caused by buoyancy and gravity.

Dempingsmodellen er forenklet som et 6 ganger 6 R-felt, forbundet med 1-forbindelsen i koordinat fiksert til legeme, som vist i figur 6. The damping model is simplified as a 6 by 6 R field, connected by the 1 connection in coordinate fixed to the body, as shown in Figure 6.

Havstrømforstyrrelsen er definert som en tidsvariasjonskraft, som påføres på chassislegemet 100 med en avstand Ldst fra hjulakselen 250, som for modellen så transformeres til en kraft i origo med det induserte momentet Fdts<*>Ldst. Størrelsen på forstyrrelseskraften og momentet antas som en overlagring av en lavfrekvent sinusoidal bølge og gaussisk støy, som representerer henholdsvis havbølgen og tilfeldig havstrøm, som illustrert i figur 11. The ocean current disturbance is defined as a time variation force, which is applied to the chassis body 100 at a distance Ldst from the wheel axle 250, which for the model is then transformed into a force at the origin with the induced moment Fdts<*>Ldst. The magnitude of the disturbance force and moment is assumed as a superposition of a low-frequency sinusoidal wave and Gaussian noise, representing the ocean wave and random ocean current, respectively, as illustrated in Figure 11.

Kontrollutformingsvurderinger. Control Design Assessments.

I det følgende beskrives utformingen til fartøykontrollen med henvisning til figur 12a. Kontrollen av stillingsvinkel oppnås fordelaktig ved en PID-kontroller og en invers sinus-operator. PID-kontrolleren beregner det passende resulterende momentet ifølge feilen mellom settpunktvinkelen og den målte vinkelen. Invers sinus-operatoren begrenser først det beregnede momentet innen området som den vektorstyrte thrusteren kan tilveiebringe, deretter foretas transformasjon av momentet til thrusterens korresponderende orienteringsvinkel a. In the following, the design of the vessel control is described with reference to figure 12a. The control of the position angle is advantageously achieved by a PID controller and an inverse sine operator. The PID controller calculates the appropriate resultant torque according to the error between the setpoint angle and the measured angle. The inverse sine operator first limits the calculated torque within the range that the vector-controlled thruster can provide, then transformation of the torque to the thruster's corresponding orientation angle a is carried out.

Hjulkontrollen foretas av differensialoperatoren som fordeler en offset-rate på hvert hjul når styringsbevegelsen påføres. De to separate PID-kontrollerne styrer så hjulets rotasjonsrate. The wheel control is done by the differential operator which distributes an offset rate to each wheel when the steering movement is applied. The two separate PID controllers then control the rotation rate of the wheel.

Generelt forventes de induserte kreftene Twh og Fth å bli motvirket av momentet Mth og kraften Fwh. Med andre ord skal hjulene og thrusteren styres for å eliminere den uønskede bevegelsen som bringes av hver av dem. Til slutt representeres fartøyets bevegelse ved stillingsvinkelen 0, hastigheten Vxt og rotasjonsraten ootz Utformingsvurderinger vedrørende dynamisk stabilisering. In general, the induced forces Twh and Fth are expected to be counteracted by the moment Mth and the force Fwh. In other words, the wheels and the thruster must be controlled to eliminate the unwanted motion brought by each. Finally, the vessel's movement is represented by the attitude angle 0, the speed Vxt and the rotation rate ootz Design assessments regarding dynamic stabilization.

Fokuset på stabilisering er for å opprettholde dreievinkelen 0 til chassislegemet 100 som den forhåndsdefinerte verdien, også når en forstyrrelseskraft påføres på fartøyet. The focus on stabilization is to maintain the rotation angle 0 of the chassis body 100 as the predefined value, even when a disturbance force is applied to the vessel.

I simuleringen som tilveiebringer resultatene som er illustrert i figur 13, er hjulene fiksert til den opprinnelige posisjonen. Følgelig anses fartøyet for å være forbundet til et ledd med 1 frihetsgrad. Forstyrrelseskraften påvirker dreievinkelen 0 til chassislegemet 100 ved hjelp av det resulterende forstyrrelsesmomentet. Thrusterorienteringen viser en metode for å aktivt motvirke forstyrrelsen. Som et resultat av dette skjemaet beholdes den målte dreievinkelen 0 i området [-16°, -28°] etter at dreiningen 0 er satt stabilt til - 23°. In the simulation that provides the results illustrated in Figure 13, the wheels are fixed to the initial position. Consequently, the vessel is considered to be connected to a link with 1 degree of freedom. The disturbance force affects the rotation angle 0 of the chassis body 100 by means of the resulting disturbance torque. The thruster orientation shows a method to actively counteract the disturbance. As a result of this scheme, the measured rotation angle 0 is kept in the range [-16°, -28°] after the rotation 0 is set stably to - 23°.

I figur 14 vises det ved simulering bidraget fra balanseringsmomenter fra både thruster 300 og hjul 200 for å motvirke forstyrrelsesmomentet. Thrusteren 300 synes å være responsiv på variasjonen i forstyrrelsesmoment, mens bidraget fra hjulene 200 viser mindre svingning. In figure 14, the contribution from balancing torques from both thruster 300 and wheel 200 is shown in simulation to counteract the disturbance torque. The thruster 300 appears to be responsive to the variation in disturbance torque, while the contribution from the wheels 200 shows less oscillation.

Ytterligere kontrollutformingsvurderinger. Additional control design considerations.

Generelt har undervannsfartøyets to bevegelsesmoduser separate kontrollskjemaer, som styrer aktuatorene og sensorene under ulike organiseringer. Bevegelsesmodusens overgang fra vognmodus til frisvømmemodus, eller vice versa, indikerer å bytte fra ett kontrollskjema til det andre. I den faktiske operasjonen, når fartøyet fester seg på eller slipper fra overflaten, utløses byttet av kontrollskjemaet enten ved en kommando sendt av operatøren, eller av en sensor på fartøyet. In general, the underwater vehicle's two motion modes have separate control schemes, which control the actuators and sensors under different arrangements. The movement mode's transition from carriage mode to free-swimming mode, or vice versa, indicates switching from one control scheme to the other. In actual operation, when the vessel attaches to or releases from the surface, the switching of the control scheme is triggered either by a command sent by the operator, or by a sensor on the vessel.

I svømmemodusen kontrolleres de vektorstyrte thrusterne for å drive og manøvrere fartøyet. I bunn og grunn oppnås girbevegelsen ved å holde de to thrusterne på linje med det avlange chassislegemets 100 lengdeakse samtidig som det settes ulik rate på hver thrusterpropell, hvilket resulterer i et girmoment på fartøyet. Stampbevegelsen oppnås ved å sette thrusterne i en vinkel relativt til chassiset, for derved å danne et stampmoment på fartøyet. Rullbevegelsen oppnås ved å sette thrusteren til motsatte vinkelretninger i forhold til chassiset. In the swim mode, the vectored thrusters are controlled to propel and maneuver the vessel. Basically, the yaw movement is achieved by keeping the two thrusters in line with the elongated chassis body's 100 longitudinal axis while setting a different rate on each thruster propeller, resulting in a yaw moment on the vessel. The ramming movement is achieved by setting the thrusters at an angle relative to the chassis, thereby creating a ramming moment on the vessel. The rolling motion is achieved by setting the thruster to opposite angular directions in relation to the chassis.

Kontrolleren er fordelaktig tilpasset for å mappe disse tre grunnleggende bevegelsene av aksial-, rull- og stampbevegelser til tre kanaler ved input fra menneskelig operatør. Mappingen er definert i svømmeskjemaets kontrollskjema. The controller is advantageously adapted to map these three basic movements of axial, roll and pitch movements to three channels upon human operator input. The mapping is defined in the swimming scheme's control scheme.

I klatremodusen, heri også omtalt som vognmodusen, oppnås den aktive stillingskontrollen fordelaktig med en kontroller av PID-typen og en invers sinus-operator. Den opprettholder dreievinkelen 9 til chassislegemet 100 relativt til en overflate på en gjenstand som fartøyet klatrer eller kjører på, som settpunktverdien, også når en forstyrrelseskraft påføres på fartøyet. Kontrolleren sammenligner det tilordnede stillingsvinkelsettpunktet med den målte stillingsvinkelen, heri også omtalt som legemevippe- eller dreievinkelen, fra sensorene. PID-kontrolleren beregner det passende resulterende momentet ifølge differansen mellom settpunktvinkelen og den målte vinkelen. Invers sinus-operatortransformasjonen av momentet til den korresponderende orienteringsvinkelen a til thrusteren utføres. In the climbing mode, here also referred to as the carriage mode, the active position control is advantageously achieved with a controller of the PID type and an inverse sine operator. It maintains the angle of rotation 9 of the chassis body 100 relative to a surface of an object on which the vessel climbs or rides, as the set point value, even when a disturbance force is applied to the vessel. The controller compares the assigned position angle setpoint with the measured position angle, here also referred to as the body tilt or rotation angle, from the sensors. The PID controller calculates the appropriate resultant torque according to the difference between the setpoint angle and the measured angle. The inverse sine operator transformation of the moment to the corresponding orientation angle a of the thruster is performed.

Stabiliseringen arves i prosessen med aktiv stillingskontroll. Følgelig anses fartøyet for å være et stivt legeme forbundet med et ledd med 1 frihetsgrad. Forstyrrelseskraften påvirker dreievinkelen 9 til chassislegemet 100 ved hjelp av det resulterende forstyrrelsesmomentet. Thrusterorienteringen viser en metode for å aktivt motvirke forstyrrelsen. Som et resultat av dette skjemaet beholdes den målte dreievinkelen 0 i området [-16°, -28°] etter at dreiningen 9 er satt stabilt til -23°. The stabilization is inherited in the process of active position control. Consequently, the vessel is considered to be a rigid body connected by a joint with 1 degree of freedom. The disturbance force affects the angle of rotation 9 of the chassis body 100 by means of the resulting disturbance torque. The thruster orientation shows a method to actively counteract the disturbance. As a result of this scheme, the measured rotation angle 0 is kept in the range [-16°, -28°] after the rotation 9 is set stably to -23°.

Hjulkontrollen gjøres av differensialdrivet som fordeler en offset-rate på hvert hjul når styrebevegelsen påføres. De to separate PID-kontrollerne styrer så hjulets rotasjonsrate. The wheel control is done by the differential drive which distributes an offset rate to each wheel when the steering movement is applied. The two separate PID controllers then control the rotation rate of the wheel.

Generelt forventes de induserte kreftene Twh og Fth å bli motvirket av momentet Mth og kraften Fwh med deres egne PID-kontrolleres tilbakekoblingssløyfer. Med andre ord skal hjulene og thrusteren styres for å eliminere den uønskede bevegelsen som bringes av hver av dem. Men for å forbedre integriteten til hele kontrollsystemet tilføyes enkelte fremoverreguleringssløyfer. Derfor, når den ene av aktuatorene påfører et hvilket som helst moment og kraft, vil motstykket følgelig forutse denne bevegelsen ved å påføre ekstra innsats på seg selv. I fig. 12b er parameterne kl og k2 for kontrollsystemets fremoverreguleringsanordning satt til passende verdier, som etableres med teknisk beregning og endelig innstilling, på grunnlag av de faktiske, endelige fysiske egenskapene til den bestemte utførelsesformen av undervannsfartøy. In general, the induced forces Twh and Fth are expected to be counteracted by the torque Mth and the force Fwh with their own PID controller feedback loops. In other words, the wheels and the thruster must be controlled to eliminate the unwanted motion brought by each. However, to improve the integrity of the entire control system, some feedforward control loops are added. Therefore, when one of the actuators applies any torque and force, the counterpart will accordingly anticipate this movement by applying additional effort to itself. In fig. 12b, the parameters kl and k2 of the control system's forward regulation device are set to appropriate values, which are established with technical calculation and final setting, on the basis of the actual, final physical characteristics of the particular embodiment of underwater vessel.

Til slutt representeres fartøyets bevegelse av stillingsvinkelen 9, hastigheten Vxt og rotasjonsraten cotz, som tilordnes ved tre parametere fra operatøren. I klatremodusen defineres mappingen av de ovennevnte bevegelsene til input fra menneskelig operatør også i kontrollskjemaet. Finally, the vessel's movement is represented by the attitude angle 9, the speed Vxt and the rotation rate cotz, which are assigned by three parameters from the operator. In the climbing mode, the mapping of the above movements to input from the human operator is also defined in the control scheme.

Claims

1. Underwater vessel (1) that can be operated in a first mode for free swimming in water and a second mode for driving on a submerged surface of an object (2), where the underwater vessel comprises a body (100), characterized in that the underwater vessel further comprises a single wheel set (200) consisting of two wheels (200a, 200b) rotatably attached to the body at a first end of the body by means of an attachment means which provides an axis of rotation allowing rotation of the body relative to the wheel set, and a thruster means (300, 300a, 300b) attached to the body for propulsion of the vessel when operating in the free-floating mode, and for providing a force on the body to rotate the body of the vessel about the axis of rotation when operating in the mode for driving on an object's submerged surface, wherein the body is shaped elongated with a second end opposite to the first end, and where the thruster is located proximal to the second end, and the two wheels have a common axis of rotation (250) which forms the axis of rotation.

2. The underwater vehicle according to claim 1, wherein the two wheels include magnets in their respective rims to provide attraction of the wheels to a surface of a magnetizable object.

3. The underwater vessel according to claim 2, comprising means for controlling a magnetic field for at least one of the magnets.

4. The underwater vessel according to claim 3, comprising a sensor for determining a turning angle (0) for a longitudinal axis (150) of the elongated body relative to a plane which is substantially tangential to the two wheels at points of contact between the wheels and the surface, and a thruster controller having an input for receiving a set angle value and being adapted to control the force of the thruster to maintain the angle of rotation at a received set angle when operating in the mode of navigation around a submerged surface of an object.

5. The underwater vessel according to claim 1, wherein the vector-controlled thruster comprises an actuator (341a, 341b) for controlling a direction of a thrust provided by the vector-controlled thruster, wherein the actuator has control input to receive a control signal from the thrust controller.

6. The underwater vehicle according to any one of the preceding claims, wherein the thruster is a vector-controlled thruster adapted to provide thrust in at least one plane which is substantially perpendicular to the axis of rotation.

7. The underwater vessel according to claim 4, comprising a wheel drive (241a, 241b) which is adapted to drive the wheels in rotation relative to the body, and a wheel drive controller which has a control input which can be connected to an externally located vessel control device or to a vessel navigation means placed on or proximal to the underwater vessel, wherein the vessel navigation means is adapted to navigate the underwater vessel around the submerged surface according to a predefined movement plan.

8. The underwater vessel according to any one of the preceding claims, comprising a buoyancy control means adapted to control a buoyancy means to provide a buoyancy force acting on the underwater vessel at a location which is moved along the longitudinal axis of the body towards and away from a center of gravity of the underwater vessel.

9. The underwater vessel according to claim 8, comprising the buoyancy control means adapted to provide the buoyant force acting on the underwater vessel at a location which is moved along the longitudinal axis of the body away from a center of gravity towards the wheel end, so as to orient the underwater vessel with its thruster end upwards and its wheel- end downwards when operating in the first mode of free swimming and drifting.

10. The underwater vehicle according to any one of the preceding claims, comprising a tool attachment means for attaching to the body at least one of a brush tool, a water jet tool and a measuring tool.