摘要

本校海科院目前所擁有的海底無人小艇屬小型、科學用途之潛艇，由於其重量輕、下潛深度不大且外型為封閉型式，因此造成長期發展不利，故發展一較大型開放式之無人潛艇是必須的。此外鑑於目前小艇之操作多採人工方式，操作員往往因小艇的操作日益複雜而導致負擔加重，所以發展小艇操作之自動化便有其必要性。本文的目的除藉自行設計海底無人小艇以達水下技術自主外，並嘗試將適應控制與虛擬實境應用於新小艇之自動定位控制上以減輕操作者的負擔，期望能對未來潛航器之發展能有所助益。

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目錄

摘要………………………………………………………………………I
目錄…………………………………………………………………….. II
圖索引…………………………………………………………………..V
表索引…………………………………………………………………...X
第一章 序論…………………………………….……………………… 1
1.1 引言……………………………………………………………. 1
1.2 研究動機與目的……………………………………………….. 2
1.3 文獻回顧………………………………………………………. 2
1.4 文章架構………………………………………………………. 4
第二章 海底無人小艇之動態模式…………………………………… 5
2.1 海底無人小艇之動態行為…………………………………… 5
2.1.1 無人小艇之運動學分析………………………………... 5
2.1.2 座標轉換…………………………………………………6
2.1.3 小艇之動態方程式……………………………………… 9
2.2 小艇所受之外力……………………………………………….11
2.2.1 重力與浮力…………………………………….………...12
2.2.2 流體之阻力…………………………………….……….13
2.2.3 因加速運動而產生之慣性力……………….……….…..13
2.2.4 推進器之推進力……………….…….…………………..14
2.3 整合之小艇動態方程式……………………………………….15
2.4 海流…………………………………………………………….17
第三章 開框架式海底無人小艇之設計………………………………20
3.1 規格與性能…………………………………………………….21
3.2 初步設計……………………………………………………….22
3.3 無人小艇之性能模擬………………………………………….35
3.3.1 前進運動…………………………………………………36
3.3.2 側移運動…………………………………………………40
3.3.3 垂直運動…………………………………………………42
3.3.4 轉向運動…………………………………………………44
第四章 海底無人小艇之控制…………………………………………46
4.1 傳統之小艇控制……………………………………………….46
4.1.1 開路控制(Open-loop control)…………………………....46
4.1.2 閉迴路、PID控制………………………………………...47
4.2 適應控制………………………………………………………49
4.2.1 小艇適應控制器之設計…………………………………49
4.3 電腦模擬結果與討論…………………………………………57
第五章 虛擬實境………………………………………………………80
5.1 虛擬實境之簡介……………………………………………….80
5.2 小艇虛擬實境之建立………………………………………….83
5.2.1 工作環境介紹和相關建構技巧…………………………83
5.2.2 操作說明…………………………………………………87
5.3 虛擬實境之模擬結果………………………………………….91
第六章 結論……………………………………………………………96
參考文獻………………………………………………………………..97
附錄一 Added mass與Added moment of inertia的估算方法……….101
附錄二 阻力係數與阻力估算………………………………………..104
附錄三 尤拉角(Euler angles)…………………………………………106

參考文獻

[1] T. I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley, 1994.

[2] H. H. Thatcher, “RCV-225G : Design and Production of a First Unit Wellhead Work System,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. OE-11, No. 3, pp. 349-357, July 1986.

[3] Y. Tsusaka, H. Ishidera and Y. Itoh, “MURS-300 MK II : A Remote Inspection System for Underwater Facilities of Hydraulic Power Plants,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. OE-11, No. 3, pp. 358-363, July 1986.

[4] M. Nomoto and M. Hattori, “A Deep ROV DOPHIN 3K : Designed Performance Analysis,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. OE-11, No. 3, pp. 373-391, July 1986.

[5] D.Liddle, “TROJAN : Remotely Operated Vehicle, “ IEEE J. Ocean Eng., Vol. OE-11, No. 3, pp. 364-372, July 1986.

[6] D. R. Yoerger and J.-J. E. Slotine, “Robust Trajectory Control of Underwater Vehicles,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. OE-10, No. 4, pp. 462-470, July 1985.

[7] R. Cristi, F. A. Papoulias, and A. J. Healey, “Adaptive Sliding Mode Control of Autonomous Underwater Vehicles in the Dive Plane,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. 15, No. 3, pp. 152-160, July 1990.

[8] K. R. Goheen and E. R. Jefferys, “Multivariable Self-Turning Autopilots for Autonomous and Remotely Operated Vehicles,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. 15, No. 3, pp. 144-151, July 1990.

[9] 江顯鴻, “模糊控制器在潛航器之應用”, 國立中山大學機械工程研究所, 碩士論文, 民國八十一年六月。
[10] 鄭宏銘, “海底無人小艇模擬器及分散控制系統之建立”, 國立中山大學機械工程研究所, 碩士論文, 民國八十五年五月。

[11] 陳宜興, “複合式適應控制在海底無人小艇上之應用”, 國立中山大學機械工程研究所, 碩士論文, 民國八十七年六月。

[12] 林俊男, “海底無人小艇之方位控制”, 國立中山大學機械工程研究所, 碩士論文, 民國八十七年六月。

[13] 蘇立欣, “海下無人小艇之微電腦控制系統”, 國立中山大學海下技術研究所, 碩士論文, 民國八十七年六月。

[14] 牛頓雜誌, 牛頓出版股份有限公司, pp. 32-55, 民國八十五年八月號。

[15] B. R. Munson, D. F. Young and T. H. Okiishi, Fundamentals of Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, Inc., 1990.

[16] P. B. Ferdinand and E. R. Johnston, Jr., Vector Mechanics for Engineers, 5th Ed., McGraw-Hill, 1988.

[17] P. B. Ferdunand, and E. R. Johnston, Jr., Mechanics of Materials, 2nd Ed., McGraw-Hill, 1992.

[18] 鄭勝文、秋逢琛, 水下技術概論, 國立編譯館, 民國八十六年。

[19] 王兆璋、劉金源、黃千芬, “無人水下遙控載具之簡介,” 海下技術季刊, 第九卷, 第二期, pp. 4-9, 民國八十八年七月。

[20] J.-J. E. Slotine and W. Li, Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, 1991.

[21] D. R. Yoerger, J. B. Newman, and J-J. E. Slotine, “Supervisory Control System for the JASON ROV,” IEEE J. Ocean Eng., Vol. OE-11, No. 3, pp. 392-399, July 1986.

[22] J.-J. E. Slotine and J. A. Coetsee, “Adaptive Sliding Sythesis for Non-Linear Systems,” Int. J. Control, Vol. 43, No. 6, pp. 1631-1651, 1986.

[23] T. I. Fossen, “Adaptive Macro-Micro Control of Nonlinear Underwater Robotic Systems,” 5th Int. Conf. on Advanced Robotics, pp. 1569-1572, 1991.

[24] J.Yuh, “Modeling and Control of Underwater Robotic Vehicles,” IEEE Trans. on Systems, Man and Cybernetics, Vol. 20, No. 6, pp. 1475-1483, November 1990.

[25] J.-J. E. Slotine and W. Li, “Adaptive Manipulator Control : A Case Study,” IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 33, No. 11, pp. 995-1003, November 1988.

[26] J.-J. E. Slotine and M. D. Di Benedetto, “Hamiltonian Adaptive Control of Spacecraft,” IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 35, No. 7, pp. 848-852, July 1990.

[27] T. I. Fossen, “Comments on Hamiltonian Adaptive Control of Spacecraft,” IEEE Trans. on Automatic Control, Vol. 38, No. 4, pp. 671-672, April 1993.

[28] T. I. Fossen and S. I. Sagatun, “Adaptive Control of Nonlinear Underwater Robotic System,” Proceedings of the 1991 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 1687-1694, April 1991.

[29] G. Conte and A. Serrani, “Modelling and Simulation of Underwaer Vehicles,” Proceedings of the 1996 IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design, pp. 62-67, September 1996.

[30] H. W. Williams, ”Work Class ROVs : What Are the Performance Limits and How Can They Be Extended?,” International Underwater Systems Design, pp. 4-12, 1995.

[31] B. E. Fletcher and S. E. Harris, ”Development of a Virtual Environment Based Training System for ROV Pilots,” Oceans ’96 MTS/IEEE Conf. Proceedings, pp. 65-71, September 1996.

[32] J.J. Myers et al., “Handbook of Ocean and Underwater Engineering,” New York, McGraw-Hill, 1969.

[33] World Up User’s Manual, Sense8 Corporation, 1997.

[34] 盧師德, AutoCAD AutoVision 3D Studio及Animator studio整合應用, ?眳p資訊圖書, 民國八十五年。

[35] C. E. Loeffler and T. Anderson, The Virtual Reality Casebook, VNR Publishing Company, 1994.

[36] 楊熙平, “飄渺之鄉-漫步在虛擬實境,” 第三波雜誌, pp. 59-63, 民國八十五年三月。

[37] 沈立勝, ”VR新貴派-影像式虛擬實境與網際網路之應用,” 第三波雜誌, pp. 128-132, 民國八十六年一月。