本論文的研究內容著重在於水下無人遙控載具（Underwater Remotely Operated Vehicle, ROV）移動路徑的規劃與模擬。ROV在水中運動時，包含前進後退（Surge）、左右移動（Sway）、上升下潛（Heave）、滾動（Roll）、傾動（Pitch）、偏搖（Yaw），其中前進後退（Surge）與左右移動（Sway）易受水流干擾而影響其運動效果。因此本研究以中山大學海下技術研究所所擁有之ROV seamor作為研究對象，針對小艇於海下運動受洋流影響時，找出由起始點出發移動至目標點能量消耗最小之路徑，進而探討方位角的改變對其移動所造成的影響。運用最佳化理論推導算出小艇於水下運動時方位角的變化造成小艇移動時所產生之能量消耗。並以Matlab軟體作為模擬工具，模擬小艇在水下運動時，於特定方位角及特定水流之作用下，其能量消耗之情形。最後加入小艇最大推力限制考量，找出小艇實際上可操作之範圍。

The main focus of this thesis is to design effective trajectories with minimum energy consumption for underwater remotely operated vehicles (ROV) in the environment with ocean current. The complete motion behavior of the ROV includes surge, sway, heave, roll, pitch, and yaw. Both the surge and sway are easy to be influenced by ocean current. The basic mission for the ROV is always from one starting point to a desired target position. An optimum trajectory with the minimum energy consumption not only can make the best use of energy, but also can improve maneuver efficiency for either manual operation or automatic control. In order to solve this problem, the optimal theorem is applied. The Matlab simulation tool is employed to demonstrate the response and performance of the ROV using the proposed trajectories. In addition, the applicably operational range for the ROV can also be determined when thrust limits are considered. Such information presents the extreme maneuver capability of the ROV in the ocean current.

目錄………………………………………………………………………………………………………..i
圖索引………………………………………………………………………………………………….iv
表索引…………………………………………………………………………………………………..v
摘要………………………………………………………………………………………………………vi
Abstract……………………………………………………………………………………………..vii
第一章 序論…………………………………………………………………………………………1
1.1前言……………………………………………………………………………………………1
1.2研究動機與目的………………………………………………………………………..1
1.3文獻回顧……………………………………………………………………………………2
1.4文章架構……………………………………………………………………………………4
第二章 海下無人遙控載具之動態模式………………………………………………5
2.1海下無人遙控載具之運動分析…………………………………………………5
2.1.1座標系統定義……………………………………………………………………5
2.1.2座標轉換…………………………………………………………………………..7
2.2海下無人遙控載具之動力方程式…………………………………………….8
2.3海下無人遙控載具之運動控制………………………………………………14
2.4海下無人遙控載具之平面運動行為………………………………………16
2.4.1前進運動…………………………………………………………………………16
2.4.2側移運動…………………………………………………………………………17
2.4.3旋轉運動…………………………………………………………………………18
2.5推進器推力與轉速關係………………………………………………………….19
第三章 最佳控制……………………………………………………………………………….23
3.1最佳化理論……………………………………………………………………………..23
3.1.1系統模型…………………………………………………………………………23
3.1.2限制條件…………………………………………………………………………25
3.1.3性能指標…………………………………………………………………………26
3.2變分法…………………………………………………………………………………….27
3.2.1尤拉-拉格朗日方程式（Euler-Lagrange Equation）………….27
3.2.2拉格朗日乘數（Lagrange multiplier）……………………………….28
3.3範例與驗證……………………………………………………………………………..30
3.3.1能量消耗最小之旋轉運動……………………………………………..30
3.3.2模擬驗證………………………………………………………………………..33
第四章 實驗模擬……………………………………………………………………………….36
4.1不考慮洋流及角度變化………………………………………………………….36
4.2考慮洋流但不考慮角度變化………………………………………………….40
4.3考慮洋流及角度變化……………………………………………………………..44
4.4洋流變化及角度變化關係……………………………………………………..51
4.4.1不考慮推進器最大作用範圍…………………………………………51
4.4.2考慮推進器最大作用範圍……………………………………………..53
第五章 結論與未來方向……………………………………………………………………57
5.1結論…………………………………………………………………………………………57
5.2未來方向…………………………………………………………………………………57
參考文獻…………………………………………………………………………………………….59

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