Modelling and Simulation of Underwater Vehicle-Manipulator System

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler samspillet mellom en manipulator og en fjernstyrt undervannskjøretøy, dette systemet blir også kalt et undervanns kjøretøy-manipulator system. Norges Tekniske og Naturvitenskapelige Univeristet har utviklet en ny fjernstyrt undervannskjøretøy, Minerva 2, som er i fokus i denne masteroppgaven. Det er i hovedsak to aspekter som er fokusert på i dette prosjektet, og det er den matematiske modelleringen av undervanns kjøretøy-manipulator systemet, og hvordan manipulatoren ved forskjellige konfigurasjoner og bevegelser, påvirker Minerva 2.

Den matematiske modelleringen av systemet er gjort ved å vurdere en andre ordens differensialligning, ofte kalt masse-fjær-demper-system, for å utlede bevegelsesligningen for systemet. Massegenskapene brukes til å bestemme bevegelsen til det stive legemet, mens de hydrodynamiske parameterne og matrisene er etablert for å ta i betraktning effekten av å være nedsenket i vann. Matrisene som beskriver manipulatorens dynamikk er avhengig av manipulatorens konfigurasjon, og er derfor beregnet i hver iterasjon av simuleringene.

Den kinematiske modelleringen av manipulatoren ble utviklet i henhold til Denavit-Hartenberg (DH) konvensjonen. Forholdet mellom hver manipulator del ble funnet ved å tilordne et referansesystem i hvert ledd, og ved å i tillegg vite avstanden mellom hvert ledd, blir en rotasjonstransformasjon brukt til å transformere egenskaper fra et referansesystem til et annet. Kinematikken brukes til å bestemme posisjonen og orienteringen til endeeffektoren, gitt de forskjellige leddvinklene.

Simulink er plattformen som brukes til å utføre simuleringene. Bevegelsesligningen til undervanns kjøretøy-manipulator systemet er modellert som et blokkskjema i Laplace-domenet. Flere simuleringer ble utført, hvor manipulatorkonfigurasjonene varierte og rotasjoner i leddene ble påsatt for å observere hvordan manipulatoren påvirket responsen til Minerva 2.

This master thesis considers the interaction between a manipulator and a Remotely Operated Vehicle (ROV), as a Underwater Vehicle-Manipulator System (UVMS). The Norwegian University of Science and Technology have developed a new ROV, Minerva 2, which is considered in this thesis. There are mainly two aspects which is focused upon in this project, the mathematical modelling of the UVMS, and how the manipulator with different configurations and joint rotations, is affecting the ROV.

The mathematical modelling of the UVMS is done by considering a second order differential equation, often called mass-damper-spring system, to derive the equation of motion for the system. Mass properties is used to determine the rigid body motion, while hydrodynamic parameters and matrices have been established in order to account for the effect of being submerged in water. The matrices describing the dynamics of the manipulator are dependent on the configuration of the manipulator, and is therefore needed to be calculated every iteration of the simulation.

Kinematic modelling of the manipulator was developed according the Denavit-Hartenberg (DH) convention. The relation between each link is found by assigning a reference frame in each module, and by knowing the distance between each joint, a rotation transformation is performed in order to translate from one reference frame to another. The kinematics are used to determine the position and orientation of the end-effector, given the different joint angles.

Simulink is the platform used to perform the simulations. The equation of motion of the UVMS is modelled as a block diagram in the Laplace domain. Several simulations were conducted, the manipulator configurations were varying and movements to the joints were added, to observe how the manipulator affected the response of the ROV.