استخراج ضرایب هیدرودینامیکی ربات زیرسطحی ریموس با کوپل کردن شبیه‌سازی نرم‌افزار CFX و کد تخمین‌گر فیلتر کالمن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران ، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق به استخراج ضرایب هیدرودینامیکی ربات ریموس پرداخته می­شود. جهت استخراج ضرایب از کد تخمین­گر فیلتر کالمن استفاده می­شود. برای تخمین ضرایب هیدرودینامیکی بدون اطلاع داشتن از مقادیر اولیه آن­ها نیاز به اطلاعات زمانی و مکانی مانور مورد نظر می­باشد. این اطلاعات به چند طریق قابل دسترسی است که از جمله آن­ها می­توان به روش­های تجربی که اطلاعات مورد نیاز جهت تخمین ضرایب را از سنسورهای نصب شده بر روی ربات جمع­آوری می­کنند. در این مقاله با استفاده از شبیه­سازی مانور ربات در نرم­افزار CFX خروجی­های مربوط به اطلاعات مکان و زمان جمع­آوری می­شود. لازم به ذکر است از شبکه­بندی متحرک برای شبیه­سازی ربات استفاده شده است. در روش شبکه­بندی متحرک در صورت کاهش کیفیت شبکه از یک میزان مشخص، شبکه­بندی اطراف ربات به محیط WB فراخوانی می­شود و پس از انجام شبکه­بندی جدید برای ادامه شبیه­سازی به محیط CFX بازگردانده می­شود. مانور سینوسی در صفحه افقی برای شبیه­سازی در نرم­افزار CFX انتخاب شده است. نتایج جمع­آوری شده از شبیه­سازی مانور سینوسی به عنوان ورودی به کد تخمین­گر فیلتر کالمن اعمال شده است. ضرایب هیدرودینامیکی مورد نظر جهت استخراج به عنوان مجهول در معادلات کنترلی ربات تعریف شده است. ضرایب هیدرودینامیکی در این مانور با دقت خوبی استخراج شده­اند. همچنین جهت بهبود کد متلب برای افزایش دقت استخراج ضرایب هیدرودینامیکی، معادلات کنترلی به صورت ماتریس نوشته شده است. با این روش تعداد ضرایب استخراج­شده کاهش یافته اما ضرایب با دقت بالاتر، استخراج شده­ اند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Extraction of Hydrodynamic Coefficients of the Remus Underwater Vehicle Robot by Coupling the CFX Software Simulator and Kalman Filter Estimator Code.

نویسندگان [English]

  • miralam mahdi 1
  • Mohammad malekpoor 2
1 Associate Professor, Shahid Rajaee Tarbiat University, Tehran, Iran
2 Masters student, Shahid Rajaee Tarbiat University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Estimation of the hydrodynamic coefficients of an autonomous underwater vehicle is the purpose of this paper. The Kalman filter method has been used for estimating the AUV hydrodynamic coefficients.  To estimate hydrodynamic coefficients without knowing their initial values, spatial and temporal information of the AUV are needed. This information can be collected through different methods including experimental methods which gather the required information by the sensors installed on the AUV. In this paper, outputs related to the time and location information are collected using robot maneuver simulation in CFX software, with a movable grid being used to simulate the robot maneuver. In movable grid method, when the mesh quality has been reduced by a certain level, the meshing around the robot is summoned to the WB environment and after performing the new meshing, it is returned to the CFX environment to continue the simulation. To derive the hydrodynamic coefficients of the autonomous underwater vehicle, a sinusoidal maneuver at three degrees of freedom is selected for simulation in CFX software. The collected results from the sine maneuver simulation are applied as input to the Kalman filter estimator code. The hydrodynamic coefficients whose extraction is desired, are defined as unknown parameters in the robot control equations. In this maneuver the hydrodynamic coefficients have been extracted with good accuracy. Also to improve the Matlab code and increase the accuracy of extracting hydrodynamic coefficients, the control equation are written in the matrix form. Thus, the number of extracted coefficients are decreased but the coefficients are extracted with higher accuracy.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hydrodynamic Coefficients
  • Underwater Vehicle
  • Kalman Filter

Smiley face

مراجع

  1. Lin, Z., Liao, S. “Calculation of Added Mass Coefficients of 3D Complicated Underwater Bodies by  FMBEM”, Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, PP. 187-194, 2011.
  2. Ghassemi, H., Yari, E. “The Added Mass Coefficient Computation of Sphere”, Ellipsoid and Marine    Propellers Using Boundary Element Method, Polish Maritime Research, Vol. 18, No. 1, pp. 17-26, 2011.
  3. Jagadeesh, , Murali, K.” Experimental Investigation of Hydrodynamic Force Foefficients over AUV Hull form”, Journal Article Published Jan 2009 in Ocean Engineering Volume 36 issue 1 on pages 113 to 118.
  4. Lee, S. K., Joung, T. H., Cheo, S. J., Jang, T. S. Lee, J. H. “Evaluation of the Added Mass for a Spheroid-type Unmanned Underwater Vehicle by Bertical Planar Motion Mechanism Test”, International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, Vol. 3, No. 3, pp. 174-180, 2011.
  5. CAN, M. “Numerical Simulation of Hydrodynamic Planar Motion Mechanism Test for Underwater Vehicles”, Thesis, Middle East Technical University, 2014
  6. Ray, , Chatterjee, D. “Unsteady CFD Simulation of 3D AUV Hull at Different Angles of Attack “, Journal of Naval Architecture and Marine Engineering. December, 2016.
  7. Li, B. “Dynamics and Control of Autonomous Underwater Vehicles with Internal Actuators”, Thesis, Florida Atlantic University, 2016.
  8. Arani, H. A., Mahdi, M. “Numerical Analysis of Oscillation Frequency and Amplitude Effects on the AUV Hydrodynamic Derivatives in the Pure Heave Motion”, Underwater Engineering Journal Vol. 1, pp. 63-73, 2016.
  9. Kim, H., Ranmuthugala, D., Leong, Z. Q., Chin, C. “Six-DOF Simulations of an Underwater Vehicle Undergoing Straight Line and Steady Turning Manoeuvres”, Ocean Engineering, Vol. 150, pp. 102-112, 2018.
  10. Nouri, N. M., Mostafapour, K. “ CFD Modeling of Wing and Body of an AUV for Estimation of Hydrodynamic Coefficients“, Journal Article Published 1 Nov 2016 in Journal of Applied Fluid Mechanics volume 9 issue 6 on pages 2717 to 2729.
  11. DU, X., ZHENG, Z. “ Numerical Calculation of Hydrodynamic Interactions of Submarine Flow on AUV”, Proceedings Article published May 2018 in 2018. OCEANS - MTS/IEEE Kobe Techno-Oceans (OTO).
  12. Alessandri, A., Caccia, M., Indiveri, G., Veruggio, G. “Application of LS and EKF Techniques to the Identification of Underwater Vehicles”, in Proceeding of, 1084-108.
  13. Kim, J., Kim, K., Choi, H. S., Seong, W., Lee, K.Y. “Estimation of Hydrodynamic Coefficients for an AUV Using Nonlinear Observers”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 27, No. 4, pp. 830-840, 2002.
  14. Luque, J. C., Donha, D. C. “Auv Identification and Robust Control”, in Proceeding of.
  15. Araki, M., Sadat-Hosseini, H., Sanada, Y., Tanimoto, K., Umeda, N., Stern, F. “Estimating Maneuvering Coefficients Using System Identification Methods with Experimental, System-Based, and CFD Free-Running Trial data”, Ocean Engineering, Vol. 51, pp. 63-84, 2012.
  16. Sabet, M. T., Sarhadi, P., Zarini, M. “Extended and Unscented Kalman Filters for Parameter Estimation of an Autonomous Underwater Vehicle”, Ocean Engineering, Vol. 91, pp. 329-339, 2014.
  17. Sabet, M. T., Daniali, H. M., Fathi, A., Alizadeh, E. “Identification of an Autonomous Underwater Vehicle Hydrodynamic Model Using the Extended, Cubature, and Transformed Unscented Kalman filter”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, Vol. 43, No. 2, pp. 457-467, 2018.
  18. Sajedi, y., Bozorg, M. “Robust Estimation of Hydrodynamic Coefficients of an AUV Using Kalman and H∞ filters “, Journal Article, Ocean Engineering,pp 386 to 394, Jun 2019.
  19. Prestero, T. T. J. “Verification of a Six-Degree if Freedom Simulation Model for the REMUS Autonomous Underwater Vehicle”, Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2001.-
  20. Myring, D. “A Theoretical Study of Body Drag in Subcritical Axisymmetric Flow”, The Aeronautical Quarterly, Vol. 27, No. 3, pp. 186-194, 1976.
مکانیک سیالات و آیرودینامیک
دوره 11، شماره 1 - شماره پیاپی 29
بهار و تابستان 1401
شهریور 1401
صفحه 71-81

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 23 بهمن 1400
  • تاریخ بازنگری: 20 تیر 1401
  • تاریخ پذیرش: 01 مرداد 1401
  • تاریخ انتشار: 01 شهریور 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار