随着带缆遥控水下机器人系统在科学研究、海洋观测与作业以及水下工程施工作业中得到越来越多的应用,其在多机构操纵下水动力与控制特性问题的研究目前已经引起了越来越多研究者与工程设计人员的关注。带缆遥控水下机器人系统由于其自身所表现出的很强的非线性、强耦合性以及时变的特点,很难建立准确的解析解数学模型。为此,本文首先在已有脐带缆运动控制方程和水下机器人运动方程的基础上,考虑导管螺旋桨、机器人主体与脐带缆三者之间的耦合关系,结合边界条件建立带缆遥控水下机器人系统水动力数学模型。在模型中,对“水下机器人+控制螺旋桨”所组成的组合体的运动采用多重滑移网格技术,来分析水下机器人主体与控制螺旋桨在运动过程中的水动力特征。其次,在水下机器人控制设计中,采用前馈调节和前馈-反馈算法确定脐带缆收放控制动作,同时应用增量式PID控制方法,根据机器人轨迹跟踪控制要求,调节各螺旋桨转速的输出,以计算每一控制时刻所需要的螺旋桨操纵力。将这两种控制算法耦合到带缆遥控水下机器人系统水动力数学模型中,构建出完整的带缆遥控水下机器人系统水动力与控制模型。最后,根据所提出的水动力与控制模型,对带缆遥控水下机器人系统在预先给定的轨迹命令下,进行运动轨迹跟踪控制的数值仿真模拟计算,观察在这样一种水下机器人组合体中,螺旋桨推进力与其转速的关系、两种控制手段对水下机器人运动速度的影响、以及前馈调节与前馈-反馈控制算法对收放缆动作的操纵效果等,并对在这些操纵动作下水下机器人系统的水动力响应进行了观察分析。水下机器人在水中的运动是三维六自由度的,由于机器人主体、控制螺旋桨与脐带缆之间的动力关系具有很强的耦合特征,使得整个机器人系统的动力关系相当复杂。由于研究者专业背景和研究兴趣的差异,过去在带缆遥控水下机器人升沉运动的数值模拟中,大多对脐带缆系统做了一定程度的简化,通常只考虑长度维持不变的脐带缆的张力,同时假设水下机器人在整个运动过程中脐带缆始终处于绷紧状态;这就导致脐带缆在低张力或零张力的情况下应用有限差分计算方法时会使脐带缆控制方程出现奇异点,从而引起数值仿真模拟计算过程的中断。在实际海上作业中,由于机器人的升沉运动,可以通过调节脐带缆的水下长度来避免张力超过其破坏强度而导致无法正常作业的问题。针对这种常见的作业工况,本文在数值模拟中,根据水下机器人主体的实时运动状态,对脐带缆系统分别应用前馈以及前馈-反馈控制方法来调节脐带缆的实时长度,同时为了避免脐带缆张力这一控制矢量的不连续性引起的抖振效应,对脐带缆张力的变化采用限幅滤波法和平均值滤波的数值方法来限制脐带缆张力的变化范围,以满足数值仿真模拟计算过程的连续性与系统稳定性。为满足水下机器人沿指定轨迹精确运动控制的要求,本文在采用对脐带缆进行收放调节的同时,应用增量式PID控制算法调节水下机器人组合体中各个螺旋桨转速的变化,以使各个螺旋桨根据水下机器人实时运动位移与指定运动轨迹的偏差发出期望的推进力,从而达到精确控制水下机器人沿指定轨迹运动的目的。数值仿真模拟计算的结果表明,水下机器人深度运动主要由脐带缆收放动作来控制,螺旋桨推进起到协同控制的作用;水平运动主要由布置在机器人主体两侧的一对导管螺旋桨推进作用控制,脐带缆收放作用影响较小;对于水下机器人深度运动控制,单独的前馈控制调节脐带缆长度,控制效果稳定,无超调现象,但对于机器人沿纵垂方向的运动位移量具有一定的限制,脐带缆前馈调节的相对误差不超过15%;而前馈-反馈收放缆方法对于机器人沿纵垂方向的运动位移限制较小,同时控制精度更高,机器人实时运动位移最大相对误差不超过10%;限幅滤波法和平均值滤波法用于限制脐带缆系统张力的剧烈变化是可行有效的,在数值仿真模拟计算过程中保证了控制系统的稳定性和计算的连续性;水下机器人主体在运动控制过程中受到的水动力响应,主要由水下机器人运动速度变化而引起流场的变化、以及螺旋桨转速的变化所引起的旋转流场变化二者共同作用的结果。