中山大學海下科技研究所於2012年起執行能源國家型科技計畫，利用自主開發之深海拖曳式探測載台進行台灣西南海域天然氣水合物的探勘調查。經探勘調查後發現台灣西南海域大部分海床是貧瘠的，只有小部份海床表面地質與生態特徵豐富，但這些佔據小部份的重要地質生態卻與天然氣水合物特徵緊密相關，須進行詳細調查。但深海拖曳式探測載台在探勘的過程中不易執行定點停留觀察與採樣的任務，需開發具有動力控制之探測載台來執行定點懸停觀測與採樣任務。受限於國內研究船目前皆無配置動態定位系統 (Dynamic Positioning, DP)，且研究船之吊臂或A架皆難以負荷纜線管理系統 (Tether Management System, TMS) 之重量，若直接佈放動力載台於深海，將面臨纜線流體阻力與水面工作船起伏運動兩項因素直接干擾載具運動。因此，本研究採用迫沈拖體 (Depressor) 延伸出動力載台次系統的作業方式，以降低纜線流體阻力與水面工作船起伏運動對於載具運動的干擾。本研究進行深海動力載台之通訊與導航控制系統設計，使深海動力載台能整合迫沈拖體佈放，達到定點懸停觀察並採樣之目的。本研究建立乙太區域網路架構來傳輸感測器資料與下達控制命令，使水面控制端透過區域網路控制深海動力載台。為得知通訊延遲對於載具運動控制的影響，本研究進行延遲時間之量測，並據此一結果進行深海動力載台之運動控制模擬與設計，以提升載具控制的穩定性。

Under the support of the National Energy Program (NEP), the Institute of Undersea Technology at National Sun Yat-sen University developed deep-towed vehicles, which have been employed to conduct seafloor surveys off southwestern Taiwan for gas hydrate investigation since 2012. From the survey results, it was found that most of the seafloor off southwestern Taiwan were barren with little or no biodiversity, whereas relatively little seafloor is geologically and biodiversily rich. We also found that some of those geologically and biodiversily rich areas were highly related to the existence of gas hydrate that was worth investigating. Compared to the deep-towed vehicle, it is much easier for a mobile underwater vehicle to implement station-keeping maneuvers for detailed observation and sample collection. At present, the research vessels in Taiwan, however, are not dynamic positioning (DP) rated, and the lift capacity of their A-frames or cranes is not enough to operate a mobile vehicle in combination with a tether management system (TMS). For a mobile vehicle with a single-cable system, the umbilical coming off the vessel’s winch is directly connected to the vehicle, which renders the vehicle sensitivity to the vessel’s motions. Therefore, we developed a mobile vehicle in combination with a depressor that is connected to the ship via an umbilical, thereby decoupling the vehicle from surface motion. The objective of this study is to design the communication and navigation systems of the mobile underwater vehicle, which transmits sensor data and control commands between the surface vessel and the underwater vehicle through the Ethernet LAN (Local Area Network). Considering that the network-induced delay affects the vehicle dynamic stability, time delay of the communication and navigation systems in the loop LAN was measured. Furthermore, motion simulations of the mobile underwater vehicle based on the time-delay measurement were performed for evaluating the control stability and performance.

誌謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
圖目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii
表目錄 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii
第一章 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 前言 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究動機與目的 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 文獻回顧 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 論文架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
第二章 深海動力載台系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 感測器與週邊 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 通訊系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 控制系統 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 人機介面程式設計 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
v第三章 通訊延遲時間測量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1 通訊頻寬分析與單位資料流量估算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 延遲時間計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 程式架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 測量方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 測量結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
第四章 自動導航模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.1 控制架構 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 模擬程式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 模擬方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.4 結果與討論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.1 定深/定艏向控制結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.2 控制補償 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
第五章 討論與結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1 討論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 結論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3 建議 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
參 考 文 獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
附錄 A 延遲時續圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
附錄 B 定深控制與電壓變化時序圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
附錄 C 定艏向控制與電壓變化時序圖 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

王兆璋、陳信宏、邱永盛，陳琪芳、郭振華、曾碩彥、林正裕，深海甲烷水合物探測設備之開發，自然科學簡訊第二十七卷第三期，118 頁-125 頁，科技部，2015年。

Sathianarayanan, D., Pranesh, S.B., Chowdhury, T., Chandrasekar, E., Murugesan, M., Radhakrishnan, M., Subramanian, A.N., Ramadass, G.A. and Atmanand, M.A., “Mechanical Engineering Challenges in the development of Deepwater ROV (ROSUB 6000),”Conf. 2017 IEEE Underwater Technology(UT), Feb. 21-24, Busan, pp. 1-6, 2017.

Coleman, D.F., Newman, J.B. and Ballard, R.D.,“Design and implementation of advanced underwater imaging systems for deep sea marine archaeological surveys,”in Proc. OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, Sept. 11-14, Providence, RI, Vol. 1, pp. 661-665, 2000.

Sung, Y.L., Li, F.C., Chen, H.H., Wang, C.C., Hsueh, P.C., Lin, Y.H. and Lin, J.M., “Development of visual survey tools for seafl oor observations and sampling,”Conf. 2017 IEEE Underwater Technology (UT), Feb. 21-24, Busan, pp. 1-2, 2017.

Chen, H.H., Wang C.C., Chou Y.C., Hsueh P.C., Lin Y.H., and Lin J.M., “Deep-Towed Vehicles for Seafl oor Imaging and Sampling off Taiwan, ”Conf. OCEANS 2017 - Aberdeen 2017, June 19-22, Aberdeen, pp. 1-7, 2017.

Nakajoh, H., Miyazaki, T., Sawa, T., Sugimoto, F. and Murashima, T., “Development of 7000m work class ROV KAIKO Mk-IV,”Conf. OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey, Sept. 19-23, Monterey, CA, pp. 1-6, 2016.

Nakajoh, H., Osawa, H., Miyazaki, T., Hirata, K., Sawa, T. and Utsugi, H., “Development of work class ROV applied for submarine resource exploration in JAMSTEC,”Conf. 2012 Oceans - Yeosu, May 21-24, Yeosu, pp. 1-5, 2012.

Gupta, R.A. and Chow, M.Y.,“Networked Control System: Overview and Research Trends,”in Proc. IEEE Transactions on Industrial Electronics, November 6, Vol. 57, No. 7, pp. 2527-2535, 2010.

Mahmoud, M.S., Control and Estimation Methods over Communication Networks. Springer International Publishing, 2013.

鄭景文、徐保羅，動態網路控制系統之時間延遲分析，國立交通大學電機與控制研究所碩士論文，2006年。

Yu, J., Yu, S. and Wang, H.,“Survey on the performance analysis of networked control systems,”Conf. 2004 IEEE International Conference on Systems, Man and Cybernetics, Oct. 10-13, The Hague, Netherlands, Vol. 6, pp. 5068-5073, 2004.

Kurose, J.F. and Ross, K.W., COMPUTER NETWORKING：A Top-Down Approach, 6th ed. Amazon, 2012.

莊文寧，應用影像直線偵測於 ROV 水下查驗，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，2013 年。

林原禾，應用深海拖曳式即時攝影系統於海床表徵調查，國立中山大學海下科技研究所碩士論文，2014 年。

張文莉，水下載具泛用控制器架構之研發，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，2010 年。

蕭毓宏，ROV 操縱訓練模擬系統之發展，國立中山大學海下技術研究所碩士論文，2004 年。

張旭輝，以非耦合動態模式與投影應設法進行 ROV 參數鑑別，國立中山大學海下技術研究所碩士論文，2006 年。

高鈞祥，水下推進器之直流馬達驅動與性能量測，國立中山大學海下科技暨應用海洋物理研究所碩士論文，2011 年。