索 不 利 力 來 年 行 流 流 不 力 來 力 不 列 列 雷 精 度 不 力 了

行 精 類 行 年 年 行 立 參 理 年

索 不 利 力 來 年 行 流 流 不 力 來 力 不 列 列 雷 精 度 不 力 了

行 政 院 國 家 科 學 委 員 會 專 題 研 究 計 畫 成 果 報 告 複 合 模 式 無 人 水 下 載 具 關 鍵 性 技 術 開 發 及 系 統 整 合 - 總 計 畫 計 畫 編 號 : NSC- 100-2221-E-006-022 執 行 期 限 :100 年 8 月 1 日 101 年 7 月 31 日 主 持 人 : 方 銘 川 國 立 成 功 大 學 系 統 及 船 舶 機 電 工 程 學 系 中 文 摘 要 台 灣 四 面 環 海, 有 各 種 探 索 海 洋 的 需 求, 但 海 域 地 形 複 雜, 有 許 多 不 利 於 水 下 作 業 的 環 境, 所 以 非 常 需 要 能 符 合 特 殊 環 境 限 制 及 較 有 適 應 力 與 操 作 彈 性 之 水 下 載 具 來 滿 足 這 些 需 求 成 功 大 學 與 中 山 大 學 之 教 授 已 於 幾 年 前 自 行 研 發 出 一 抗 流 型 之 水 下 遙 控 載 具 的 整 合 關 鍵 技 術, 並 已 海 試 成 功 但 由 於 過 去 發 展 的 水 下 遙 控 載 具 仍 無 法 完 全 滿 足 台 灣 複 雜 海 流 環 境 的 需 求, 尤 其 是 深 海 環 境 本 整 合 計 畫 的 目 標 即 是 發 展 能 在 不 同 海 洋 環 境 與 作 業 需 求 下 工 作 的 載 具 ; 故 擬 採 高 適 應 力 的 複 合 模 式 水 下 載 具 系 統 之 方 式 來 解 決 此 問 題, 以 期 進 一 步 改 善 無 人 遙 控 載 具 的 性 能 由 於 台 灣 海 域 的 特 性, 此 高 適 應 力 的 方 式 應 該 不 在 於 功 能 強 大, 而 是 能 迅 速 針 對 任 務 需 求 與 海 域 環 境 調 整 其 作 業 的 方 式 ; 所 以 擬 開 發 出 能 具 有 下 列 之 系 統 整 合 功 能 模 式 之 水 下 載 具 以 符 合 特 殊 海 域 環 境 需 求 :(1) 傳 統 ROV 模 式 (2)TMS-ROV 模 式 (3) Self-powered ROV 模 式 (4)Semi-AUV (5) 傳 統 AUV 模 式 本 計 畫 整 體 之 研 究 將 包 括 下 列 四 個 子 計 畫 實 施 : 子 計 畫 一 : 複 合 模 式 無 人 水 下 載 具 之 運 動 操 控 模 擬 與 設 計 研 究 子 計 畫 二 : 複 合 模 式 無 人 水 下 載 具 之 中 繼 系 統 機 構 整 合 設 計 子 計 畫 三 : 複 合 模 式 無 人 水 下 載 具 之 雷 射 掃 描 與 精 準 高 度 控 制 研 究 子 計 畫 四 : 複 合 模 式 無 人 水 下 載 具 之 定 位 估 算 技 術 開 發 本 計 畫 的 研 究 不 僅 有 助 於 本 國 無 人 水 下 載 具 先 進 技 術 的 提 升, 也 能 提 高 我 國 水 下 技 術 研 發 能 力 在 國 際 社 會 的 地 位 而 且 有 了 本 計 畫 之 基 礎 後, 當 可 再 進 一 步 進 入 載 人 水 下 載 具 之 研 究, 將 本 系 統 再 擴 充 改 善, 應 可 使 我 國 之 水 下 設 計 技 術 進 入 另 一 境 界 關 鍵 詞 : 複 合 模 式, 水 下 載 具, 水 下 技 術, 系 統 整 合, 深 海 環 境 緣 由 與 目 的 台 灣 附 近 的 海 域 地 形 複 雜, 有 超 過 一 兩 千 公 尺 的 深 海, 也 有 淺 灘 峽 谷 海 底 火 山 珊 瑚 礁 等, 加 上 黑 潮 流 經, 平 均 流 速 一 節 以 上, 在 局 部 地 區 更 會 與 地 形 交 互 作 用, 速 度 加 大, 變 化 又 快 又 大 ; 另 外, 能 見 度 不 高, 每 年 又 容 易 因 颱 風 擾 動 海 床, 漁 船 也 多, 因 此 不 利 於 各 種 水 下 作 業 然 而, 上 述 種 種 不 利 於 水 下 作 業 的 環 境, 其 實 也 提 供 我 們 在 海 洋 工 程 技 術 的 發 展 上 可 以 發 展 特 色 領 域 與 特 殊 技 術 之 契 機 由 於 台 灣 四 面 環 海, 不 僅 仰 賴 海 上 貿 易, 也 有 許 多 各 種 探 索 海 洋 的 需 求, 所 以 非 常 需 要 能 符 合 上 述 特 殊 環 境 限 制 並 可 滿 足 這 些 需 求 的 水 下 載 具 然 而, 台 灣 的 研 究 環 境 遠 不 如 美 國 日 本 等 先 進 國 家, 在 經 費 人 力 等 資 源 有 限 的 情 形 下, 發 展 水 下 載 具 的 策 略 方 面, 除 了 在 關 鍵 技 術 上 希 望 能 追 上 先 進 國 家 之 外, 也 必 須 考 慮 如 何 以 最 少 的 資 源 發 展 最 符 合 本 土 需 求 的 技 術 因 此 多 功 能 或 具 高 適 應 力 的 水 下 載 具 可 能 是 兩 項 值 得 發 展 的

領 域 因 此, 本 計 畫 擬 開 發 具 高 適 應 力 的 水 下 載 具, 目 標 是 發 展 能 在 不 同 海 洋 環 境 與 作 業 需 求 下 工 作 的 載 具 ; 但 由 於 台 灣 海 域 的 特 性, 此 高 適 應 力 的 方 式 應 該 不 在 於 功 能 強 大, 而 是 能 迅 速 針 對 任 務 需 求 與 海 域 環 境 調 整 其 作 業 的 方 式 ; 所 以, 可 在 幾 種 不 同 操 作 模 式 下 工 作 的 水 下 載 具 系 統 可 能 才 能 符 合 上 述 的 需 求 故 本 團 隊 仍 以 過 去 本 團 隊 自 行 研 發 成 功 的 水 下 抗 流 型 遙 控 載 具 (ROV) 為 基 礎, 從 落 實 最 基 本 的 層 面 切 入, 一 步 步 去 瞭 解, 掌 握 包 括 ROV AUV TMS 及 Depressor 等 系 統 之 核 心 技 術, 以 實 海 域 系 統 測 試 為 目 標 檢 核, 來 發 展 一 複 合 模 式 水 下 載 具 作 業 系 統 本 計 畫 之 目 標 為 研 發 一 種 可 在 幾 種 不 同 操 作 模 式 下 工 作 的 水 下 載 具 系 統, 稱 為 多 重 模 式 水 下 載 具 (Multimode Underwater Vehicle, 以 下 簡 稱 MUV) 擬 研 發 之 操 作 模 式 包 括 : (1)ROV 模 式 : 傳 統 ROV 模 式 (2)TMS-ROV 模 式 : 使 用 TMS 之 傳 統 ROV 模 式, 可 適 應 較 為 困 難 的 環 境 TMS 本 身 也 可 為 有 動 力 並 可 操 控 的 此 為 適 應 台 灣 海 域 環 境, 且 為 完 成 後 續 模 式 而 必 須 研 發 的 使 用 模 式 (3)Self-powered ROV 模 式 : 使 用 自 有 電 力, 但 仍 可 透 過 ( 光 纖 ) 纜 繩 控 制 與 通 訊 因 為 只 需 傳 輸 控 制 訊 號 及 感 測 訊 號, 故 可 大 量 減 少 纜 繩 的 直 徑 重 量 與 阻 力 為 一 介 於 ROV 與 AUV 之 間 的 模 式 此 亦 為 美 國 Woods Hole 團 隊 研 發 HROV 的 使 用 模 式 之 一 (4)Semi-AUV 模 式 : 使 用 自 有 電 力 與 程 式 控 制, 但 仍 有 一 不 能 傳 遞 訊 息 與 電 力 安 全 纜 繩 與 TMS 相 連 在 本 研 究 中 即 將 模 式 (3) 切 斷 訊 號 與 電 力 之 傳 輸 即 可 目 的 在 於 以 較 為 安 全 的 方 式 測 試 及 使 用 AUV 模 式, 並 藉 以 發 展 相 對 較 為 困 難 的 操 控 理 論 與 技 術 (5) AUV 模 式 : 傳 統 AUV 模 式 傳 統 ROV 用 的 TMS 系 統, 例 如 SAAB 集 團 發 展 的, 是 一 個 可 容 納 ROV 的 籠 子 ) 而 Woods Hole 研 究 團 隊 發 展 的 Nereus HROV 之 TMS 則 比 較 近 一 水 中 平 台 由 於 台 灣 附 近 海 域 的 特 殊 因 素, 本 計 畫 考 慮 將 TMS 發 展 為 具 備 小 動 力 的 作 業 平 台, 類 似 另 一 ROV, 作 為 輔 助 與 中 繼 之 用, 因 此 整 套 系 統 的 概 念 接 近 子 母 型 水 下 載 具 系 統 必 須 作 詳 細 之 規 劃 與 搭 配 本 計 畫 的 研 究 不 僅 有 助 於 本 國 水 下 技 術 的 提 升, 也 能 提 高 我 國 研 發 能 力 在 國 際 社 會 的 評 價 與 重 視 研 究 方 法 與 成 果 先 就 各 子 計 畫 本 年 度 目 標 之 研 究 方 法 分 別 簡 述 於 下 : ( 子 計 畫 一 ) 1. 根 據 去 年 度 之 整 體 構 想 設 計, 來 評 估 載 具 之 浮 力 裝 置, 與 其 他 子 計 畫 協 調 各 配 置 重 量 與 支 架 及 外 形 結 構, 估 算 所 需 浮 材 並 考 慮 是 否 須 加 入 自 動 浮 力 調 整 控 制 機 構 2. 以 拖 航 水 槽 作 阻 力 實 驗 比 較 第 一 年 選 定 不 同 連 接 機 構 之 組 合 的 水 下 載 具 阻 力, 並 測 試 其 連 接 機 構 在 水 中 的 作 用 情 形, 完 成 各 種 外 型 之 阻 力 實 驗 與 評 估 分 析 綜 合 阻 力 係 數 與 連 接 機 構 之 考 量, 選 定 一 種 外 型 與 機 構, 並 決 定 外 型 提 供 子 計 畫 二 電 力 評 估 3. 與 子 計 畫 二 子 計 畫 四 及 子 計 畫 五 協 調 組 合 初 步 複 合 模 式 ROV/AUV 切 換 操 控 系 統 硬 體 4. 利 用 PMM 裝 備 量 測 水 下 載 具 之 流 體 動 力 係 數, 提 供 水 下 載 具 自 主 六 度 運 動 數 值 模 擬 所 需 之 輸 入 數 據 再 利 用 六 度 運 動 電 腦 模 擬 程 式 作 各 種 海 況 之 數 值 模 擬, 並 與 模 糊 ( 或 類 神 經 網 路 ) 邏 輯 及 搭 配 自 主 控 制 理 論 測 試 AUV 部 分 之 自 主 功 能 5. 將 含 模 糊 ( 或 類 神 經 網 路 ) 自 主 控 制 之 運 動 程 式 植 入 控 制 晶 片 作 水 下 載 具 實 體 控 制 應 用 6. 模 糊 ( 或 類 神 經 網 路 ) 自 主 控 制 用 於 理 論 水 下 載 具 之 電 腦 模 擬, 雖 有 困 難 性, 但 是 可 克 服 的, 倒 是 將 其 實 際 嵌 入 載 具 之 控 制 晶 片, 將 是 真 正 挑 戰, 擬 將 其 改 變 成 MALAB 之 形 式 來 解 決 ( 子 計 畫 二 ) 1. 依 前 一 年 的 成 果, 進 行 高 壓 艙 與 元 件 接 頭

組 合 件 的 設 計 與 製 造, 並 透 過 高 壓 測 試, 確 保 所 有 零 組 件 在 深 海 高 壓 作 用 下, 不 會 出 現 漏 水, 可 以 穩 定 完 成 任 務 2. 設 計 製 造 搭 載 水 下 載 具 所 需 要 的 供 電 模 組 零 組 件, 量 測 個 別 元 件 與 執 行 不 同 模 式 下 之 供 電 狀 態 與 供 電 品 質, 同 時 確 認 切 換 動 作 的 安 定 性 3. 完 成 供 電 系 統 零 組 模 組 功 能 後, 選 購 適 當 之 電 纜 線 將 模 組 與 母 船 和 水 下 載 具 連 結, 驗 證 由 母 船 經 纜 線 傳 輸 過 來 電 力 無 誤, 並 確 保 該 電 力 通 過 TMS 處 理 提 供 水 下 載 具 的 流 程 4. 最 後 組 裝 TMS 之 硬 體 設 備, 與 供 電 模 組 結 合, 並 進 行 供 電 品 質 機 械 動 作 訊 號 偵 測 傳 輸 與 控 制 指 令 等 測 試 工 作, 尋 找 缺 失 提 出 對 策 改 善, 完 成 各 模 組 間 之 整 合 作 業 ( 子 計 畫 三 ) 1. 載 具 動 力 方 程 式 的 建 立 : 一 般 而 言 ROV 是 接 受 操 作 人 員 的 指 令 運 動, 但 本 期 計 畫 載 具 要 搭 配 雷 射 掃 描 系 統 的 運 作 因 此 載 具 不 論 是 在 ROV 或 AUV 模 式 下, 要 精 準 地 掌 握 載 具 的 姿 態 與 航 速 及 航 向, 已 取 得 品 質 好 的 雷 射 掃 描 數 據 控 制 器 要 根 據 高 度 計 的 資 料 適 度 當 調 整 載 具, 離 底 高 度, 以 便 將 雷 射 線 的 影 像 調 整 在 畫 面 中 間 因 此 需 要 控 制 載 具 在 周 遭 洋 流 小 干 擾 下 還 能 緩 慢 前 進 及 保 持 精 準 的 離 底 高 度 這 些 工 作 的 完 成, 首 先 要 建 立 精 確 的 載 具 動 力 參 數 及 模 式 2. 垂 直 推 進 器 參 數 鑑 別 : 除 了 前 述 的 動 力 參 數 之 外, 一 般 而 言, 推 進 器 於 緩 速 運 動 時, 輸 入 命 令 與 推 力 的 反 應 會 因 為 流 體 特 性 與 摩 擦 力 傳 動 軸 黏 滯 力 與 磁 滯 現 象 等, 呈 現 非 常 不 理 想 的 特 性 由 於 高 度 載 具 的 修 正 會 讓 垂 直 推 進 器 不 斷 在 正 反 轉 區 間 內 操 作, 這 恰 好 是 前 述 非 理 想 操 作 條 件 最 嚴 重 的 區 域 我 們 將 藉 由 推 力 實 驗 來 瞭 解 我 們 購 入 的 垂 直 推 進 器 的 參 數, 以 架 構 適 當 的 高 度 控 制 迴 路 3. 二 代 雷 射 掃 描 系 統 加 工 與 組 裝 : 根 據 前 一 年 的 載 具 設 計, 我 們 將 製 作 組 裝 水 下 雷 射 水 下 CCD 影 像 擷 取 記 錄 系 統 及 各 個 水 密 箱 ( 子 計 畫 四 ) 1. DVL 定 位 :DVL 發 射 一 固 定 頻 率 fs 之 聲 波 至 海 床, 再 接 收 由 海 床 反 射 之 回 訊, 回 訊 頻 率 為 fr, 藉 由 頻 率 偏 量 f = fr fs 來 計 算 DVL 與 海 床 沿 著 聲 束 軸 (Acoustic beam axis) 的 相 對 運 動 速 度 將 DVL 在 導 航 座 標 系 統 下 的 相 對 運 動 速 度 對 時 間 積 分, 估 算 出 DVL( 水 下 載 具 ) 在 導 航 座 標 系 統 下 的 相 對 位 移 2. DVL 定 位 系 統 對 準 偏 差 校 正 : 主 要 在 校 正 DVL 參 考 座 標 軸 與 姿 態 感 測 器 參 考 座 標 軸 之 間 的 角 度 偏 差 量, 包 括 艏 向 角 偏 差 量 縱 搖 角 偏 差 量 橫 搖 偏 角 差 量 本 研 究 擬 根 據 水 下 載 具 直 線 航 行 的 定 位 軌 跡, 分 別 推 導 出 艏 向 角 偏 差 量 縱 搖 角 偏 差 量 橫 搖 偏 角 差 量 對 DVL 定 位 軌 跡 的 影 響, 藉 此 建 立 DVL 定 位 系 統 的 對 準 偏 差 校 正 演 算 程 序 並 利 用 成 功 大 學 系 統 及 船 舶 機 電 工 程 學 系 的 拖 航 水 槽 進 行 進 行 校 正 量 測 實 驗 3. 應 答 器 位 置 估 算 : 長 基 線 定 位 需 要 佈 放 數 個 應 答 器 於 海 床 上, 於 進 行 長 基 線 定 位 之 前, 必 須 先 校 正 每 個 應 答 器 的 位 置 應 答 器 位 置 的 校 正 方 式, 擬 利 用 水 面 工 作 船 裝 載 收 發 器, 於 應 答 器 上 方 附 近 水 面 詢 答 應 答 器, 以 取 得 收 發 器 GPS 座 標 以 及 量 測 應 答 器 與 收 發 器 之 間 的 斜 距, 再 藉 由 最 佳 化 演 算 法 從 斜 距 資 料 以 及 收 發 器 GPS 資 料 來 估 算 應 答 器 的 位 置 4. 長 基 線 定 位 估 算 : 利 用 收 發 器 詢 答 應 答 器, 以 取 得 收 發 器 與 各 個 應 答 器 之 間 的 斜 距 資 訊, 用 以 估 算 收 發 器 的 位 置 P(x, y, z) 由 於 一 般 載 具 均 配 備 深 度 計, 所 以 收 發 器 的 深 度 資 訊 z 可 視 為 已 知, 因 此 長 基 線 定 位 主 要 在 求 得 收 發 器 的 水 平 座 標 (x, y) 配 合 深 度 計 資 訊, 採 用 三 個 應 答 器 的 斜 距 資 訊, 解 決 長 基 線 定 位 估 算 問 題 5. 卡 曼 濾 波 估 算 : 擬 採 用 卡 曼 濾 波 來 提 升 水 下 載 具 位 置 狀 態 估 測 的 精 確 度 利 用 迭 代 與 遞 迴 程 序 來 達 成 最 佳 線 性 估 測, 用 來 進 行 感 測 資 料 融 合, 以 遞 迴 的 方 式 來 最 佳 化 估 算 水 下 載 具 的 位 置 6. 可 行 性 驗 證 : 先 進 行 數 值 模 擬, 驗 證 DVL 與 LBL 定 位 系 統 整 合 方 法 之 可 行 性 接 著 進 行 拖 航 水 槽 量 測 實 驗, 以 進 行 DVL 與 感 測 器 之 對 準 偏 差

校 正 最 後 進 行 實 海 域 水 下 載 具 定 位 量 測 實 驗, 收 集 相 關 感 測 器 資 料 以 及 DVL LBL 定 位 資 料, 以 進 行 資 料 整 合 與 分 析, 藉 以 評 估 此 研 究 方 法 對 於 提 升 水 下 載 具 定 位 精 度 的 影 響 各 子 計 畫 之 成 果 簡 單 選 擇 幾 項 分 述 如 下 :( 詳 細 之 內 容 可 參 考 各 子 計 畫 之 報 告 ) 圖 4 載 具 六 度 運 動 方 程 式 數 值 模 擬 ( 子 計 畫 一 ) 圖 1 以 各 種 載 具 外 型 進 行 阻 力 模 擬 分 析 並 選 定 外 型 ( 子 計 畫 一 ) 圖 5 模 糊 控 制 運 用 至 載 具 高 度 控 制 之 結 果 ( 子 計 畫 一 ) 圖 2 載 具 掛 載 硬 體 設 備 配 置 圖 ( 子 計 畫 一 ) 圖 6 中 繼 系 統 與 工 作 船 及 ROV 之 連 結 架 構 ( 子 計 畫 二 ) 圖 3 以 PMM 實 驗 量 測 載 具 流 體 動 力 係 數 ( 子 計 畫 一 ) 圖 7 鎧 裝 纜 繩 剖 面 圖 ( 子 計 畫 二 )

圖 8 絞 機 示 意 圖 ( 子 計 畫 二 ) 圖 12 載 具 中 性 浮 力, 第 一 組 推 進 器 : 關 閉, 第 二 組 推 進 器 : 定 高 控 制 ( 子 計 畫 三 ) 圖 9 電 力 系 統 示 意 圖 ( 子 計 畫 二 ) 圖 13 載 具 微 浮 力, 第 一 組 推 進 器 : 關 閉, 第 二 組 推 進 器 : 定 高 控 制 ( 子 計 畫 三 ) 圖 10 中 繼 站 主 體 結 構 與 推 進 器 組 合 示 意 圖 ( 子 計 畫 二 ) 圖 14 載 具 中 性 浮 力 ; 第 一 組 推 進 器 : 虛 擬 浮 力, 第 二 組 推 進 器 : 定 高 控 制 ( 子 計 畫 三 ) 圖 11 實 驗 水 槽 及 實 驗 載 台 ( 子 計 畫 三 )

圖 15 搭 載 雷 射 掃 描 系 統 的 載 具 (9.9 m 3.2 m 4 m) ( 子 計 畫 三 ) 圖 18 整 合 LBL 與 DVL 之 水 下 載 台 定 位 結 果 與 水 面 船 GPS 定 位 軌 跡 比 較 ( 子 計 畫 四 ) 圖 19 對 準 偏 差 校 正 後 在 不 同 速 度 下 之 縱 移 運 動 DVL 定 位 軌 跡 ( 子 計 畫 四 ) 圖 16 分 別 利 用 長 基 線 系 統 與 DVL 所 量 測 之 水 下 載 台 定 位 軌 跡 ( 子 計 畫 四 ) 圖 20 對 準 偏 差 校 正 後 在 不 同 速 度 下 之 橫 移 運 動 DVL 定 位 軌 跡 ( 子 計 畫 四 ) 圖 17 利 用 卡 曼 濾 波 整 合 LBL 與 DVL 之 水 下 載 台 定 位 結 果 ( 子 計 畫 四 ) 結 論 ( 子 計 畫 一 ) 本 子 計 畫 已 完 成 本 年 度 所 設 定 之 目 標 整 體 而 言, 本 子 計 畫 一 所 達 到 的 貢 獻 如 下 列 所 示 : 1. 於 本 計 畫 中 提 出 多 種 載 具 外 型 設 計 進 行 分 析 及 比 較, 經 過 完 整 的 評 估 後 才 選 定 最 終 外 型 設 計, 整 體 的 評 估 過 程 可 做 為 開 發 中 模 型 機 之 設 計 經 驗 參 考 2. 確 定 複 合 模 式 自 主 控 制 水 下 載 具 之 外 型 及 其 系 統 設 備 之 硬 體 組 裝, 載 具 內 外 所 搭 載 之 軟 硬 體 設 備, 及 整 體 系 統 之 配 置 亦 可 做 為 載 具 開 發

之 參 考 3. 透 過 PMM 試 驗 量 測 載 具 之 流 體 動 力 係 數, 以 利 進 行 載 具 運 動 模 擬 及 其 操 縱 性 之 分 析 4. 以 六 度 運 動 電 腦 模 擬 程 式 進 行 載 具 動 態 運 動 模 擬, 並 加 入 洋 流 影 響, 可 提 供 初 步 的 模 擬 數 據 給 開 發 中 之 載 具 做 為 參 考 依 據 5. 以 模 糊 控 制 系 統 理 論 將 做 為 控 制 器 的 開 發 基 礎 架 構, 完 成 模 糊 控 制 系 統 理 論 之 程 式 化, 並 將 其 運 用 至 水 下 載 具 之 實 體 控 制, 透 過 高 度 控 制 之 實 驗 驗 證 模 糊 理 論 運 用 於 載 具 控 制 之 適 用 性 ( 子 計 畫 二 ) 本 子 計 畫 成 果 包 含 下 列 幾 項 : 1. 完 成 主 體 結 構 及 壓 力 容 器 與 元 件 接 頭 組 合 件 的 設 計 與 製 造, 壓 力 容 器 經 由 Kendrick 挫 曲 破 壞 公 式 計 算 可 承 受 水 壓 至 水 深 200 公 尺, 並 使 用 深 海 壓 力 模 擬 艙 進 行 壓 潰 測 試 時, 壓 深 至 水 深 150 公 尺, 壓 力 容 器 仍 完 整 無 損 傷 2. 岸 端 系 統 為 中 繼 站 與 母 船 連 接 部 分, 主 要 可 分 為 鎧 裝 纜 繩 及 水 文 絞 機 兩 部 分, 並 於 絞 機 上 設 置 配 電 箱 提 供 所 需 電 源, 絞 機 作 動 則 可 選 擇 採 用 連 續 運 轉 或 寸 動 方 式, 利 用 變 頻 器 調 節 收 放 速 度 3. 經 過 功 率 評 估 後, 除 了 基 礎 設 備 所 需 的 電 力 供 給 外, 尚 有 15% 餘 裕 可 提 供 外 加 設 備 而 各 項 系 統 也 於 不 同 模 式 下 之 供 電 狀 態 完 成 各 別 測 試 4. 為 整 合 TMS 及 ROV 控 制 介 面, 將 使 用 Labview 軟 體 進 行 程 式 及 介 面 撰 寫, 並 採 用 TCP/IP 通 訊 協 定, 利 用 路 由 器 給 與 每 項 設 備 地 址, 使 之 間 可 互 相 通 訊 而 TMS 各 模 組 之 系 統 整 合 亦 組 裝 完 成 ( 子 計 畫 三 ) 本 研 究 目 的 為 開 發 一 型 複 合 模 式 無 人 水 下 載 具 搭 載 雷 射 掃 描 系 統 與 精 準 高 度 控 制, 並 透 過 實 驗 來 瞭 解 利 用 推 進 器 控 制 並 搭 配 雷 射 掃 描 系 統 已 達 到 精 準 高 度 控 制 所 會 面 臨 的 問 題 獲 得 以 下 幾 項 結 論 : 1. 考 慮 推 進 器 的 特 性, 在 低 轉 速 時, 會 因 轉 軸 的 摩 擦 力 磁 滯 現 象 造 成 一 個 沒 有 輸 出 的 區 間, 加 上 槳 葉 成 為 推 進 器 後, 在 低 流 速 下 無 法 產 生 有 效 推 力 並 透 過 實 驗 探 討 推 進 器 乏 致 區 對 定 高 控 制 造 成 的 影 響 2. 再 實 驗 載 台 上 裝 載 兩 組 推 進 器 垂 直 推 進 器, 設 定 三 種 不 同 的 情 況 進 行 定 高 控 制 的 實 驗, 透 過 分 析 及 比 較 並 完 成 載 具 離 底 精 準 高 度 控 制 迴 路 3. 完 成 二 代 雷 射 掃 描 系 統 加 工 與 組 裝, 以 工 程 塑 膠 (PP) 設 計 一 個 架 構 簡 潔 的 載 台, 並 搭 載 雷 射 掃 描 系 統 與 水 平 推 進 器 在 平 衡 配 重 上, 為 使 載 台 可 以 接 近 中 性 浮 力, 且 在 水 中 保 持 靜 動 態 平 衡, 推 進 器 的 施 力 點 則 要 盡 量 配 置 在 重 心 與 浮 心 之 間 此 外 另 規 畫 實 驗 來 測 試 AUV 執 行 雷 射 掃 描 任 務 時 的 穩 定 性 ( 子 計 畫 四 ) 本 子 計 畫 完 成 建 立 都 卜 勒 流 速 計 之 對 準 偏 差 校 正 技 術, 提 高 都 卜 勒 流 速 計 之 定 位 精 度, 同 時 也 完 成 整 合 長 基 線 定 位 與 都 卜 勒 流 速 計 定 位, 解 決 長 基 線 定 位 系 統 資 料 更 新 率 緩 慢 以 及 訊 號 遮 蔽 導 致 斜 距 量 測 資 料 中 斷 的 問 題, 達 成 提 升 載 具 定 位 精 度 之 目 標 本 研 究 成 果 與 結 論 整 理 如 下 : 1. 在 都 卜 勒 流 速 計 之 對 準 偏 差 校 正 技 術 開 發 方 面, 本 研 究 從 簡 易 的 縱 移 與 橫 移 運 動 著 手, 探 討 艏 向 縱 搖 以 及 橫 搖 三 個 角 度 對 準 偏 差 對 都 卜 勒 流 速 計 定 位 的 影 響 研 究 結 果 發 現 : (1) 不 論 縱 移 或 橫 移 運 動, 艏 向 對 準 偏 差 皆 影 響 DVL 之 水 平 定 位 軌 跡 斜 率 (2) 進 行 縱 移 運 動 時, 縱 搖 對 準 偏 差 會 影 響 深 度 的 變 化 (3) 進 行 橫 移 運 動 時, 橫 搖 對 準 偏 差 會 影 響 深 度 的 變 化 2. 本 研 究 依 據 艏 向 縱 搖 以 及 橫 搖 三 個 角 度 對 準 偏 差 對 都 卜 勒 流 速 計 定 位 的 影 響, 發 展 出 數 值 迭 代 演 算 法 以 估 算 三 個 對 準 偏 差 角 度 此 一 演 算 法 經 由 拖 航 水 槽 之 DVL 定 位 實

驗 量 測 與 分 析, 驗 證 了 此 演 算 法 的 可 靠 度 與 運 算 效 率 3. 本 研 究 利 用 卡 曼 濾 波 演 算, 建 立 了 都 卜 勒 流 速 計 與 長 基 線 定 位 之 整 合 運 算 模 式, 並 進 行 實 海 域 整 合 定 位 測 試, 驗 證 了 都 卜 勒 流 速 計 與 長 基 線 定 位 量 測 整 合 定 位 可 以 改 善 長 基 線 定 位 系 統 資 料 更 新 率 緩 慢 以 及 斜 距 量 測 資 料 中 斷 的 衍 生 的 定 位 誤 差, 有 效 提 升 水 下 定 位 精 度 參 考 文 獻 1. 林 嘉 琪 (2009) 台 灣 第 一 座. 明 年 3 月 動 工 / 海 底 地 震 測 站 10 秒 內 速 報, 自 由 時 報,2009 年 11 月 16 日 頭 版 2. 李 昭 興 (2000) 現 世 海 底 火 山 和 熱 液 循 環 煙 囪 系 統, 國 立 海 洋 科 技 博 物 館 籌 備 處 簡 訊, 第 10 期 3. 臧 振 華 (2009) 澎 湖 馬 公 港 古 沈 船 調 查 發 掘 及 水 下 文 化 資 產 研 究 保 存 科 學 人 才 培 育 計 畫 第 三 年 度 第 二 次 期 中 報 告, 行 政 院 文 化 建 設 委 員 會 文 化 資 產 總 管 理 處 籌 備 處 4. Fang, Ming-Chung, Pei-En Chang and Jhih-Hong Luo, (2006) Wave Effects on Ascending and Descending Motions of the Autonomous Underwater Vehicle, Ocean Engineering, USA, Vol.33/14-15, pp.1972-1999. 5. Fang, Ming-Chung, Hou, Chang-Shang and Luo, Jhih-Hong (2007) On the Motions of the Underwater Remotely Operated Vehicle with the Umbilical Cable effect, Ocean Engineering, Vol.34, Issues 8-9, pp.1275-1289. 6. Fang, Ming-Chung, Chen, Jeng-Horng and Luo, Jhih-Hong and Chang-Shang Hou (2008) On the behaviors of the Underwater Remotely Operated Vehicle in Uniform Current, Marine Technology, Vol.45, No.4, pp.241-249. 7. Fang, Ming-Chung and Huang, Yi-Lun (2009) The Motion Simulation of the Underwater Remote Vehicle with Anti-Pitch Performance, Journal of the Society of Naval Architects and Marine Engineers, Vol.28, No.1, pp.51-58. (in Chinese) 8. Chen, H. H., Wang, C. C., (2007,) Optimal Localization of a Seafloor Transponder in Shallow Water Using Acoustic Ranging and GPS Observations, Ocean Engineering, Vol. 34, Nos. 17-18, pp. 2385-2399. 9. Chen, H. H., (2008a) In-Situ Alignment Calibration of Attitude and Ultra Short Baseline Sensors for Precision Underwater Positioning," Ocean Engineering, Vol. 35, Nos. 14-15, pp. 1448-1462. 10. Chen, H. H., (2008b) Vision-Based Tracking with Projective Mapping for Parameter Identification of Remotely Operated Vehicles, Ocean Engineering, Vol. 35, No. 10, pp. 983-994. 11. Chiu, F.C.; Guo, J. and Chia, C.-C. (1998) Integrated navigation system for AUV-HM1, Cust 98, pp.95-103. 12. Guo, J.; Chiu, F.-C.; Lin, J.B. and Wang, C.-C. (1998) Trajectory control of an AUV for underwater mapping tasks, Cust 98, pp.104-111. 13. Chiu, F.C. et al. (2002) Study on the motions of Biomimetic AUV, Cust 2002, C1-13~18. 14. 蔡 進 發 (2002) 仿 生 型 自 主 式 水 下 載 具 阻 力 推 進 性 能 之 研 究, Cust 2002, C1-23~28. 15. Bowen, A. D.; Yoerger, D.R.; Taylor, C.; McCabe, R.; Howland, J.; Gomez-Ibanez, D.; Kinsey, J.C.; Heintz, M.; McDonald, G.; Peters, D.B.; Fletcher, B.; Young, C.; Buescher, J.; Whitcomb, L.L.; Martin, S.C.; Webster, S. E.; and Jakuba M.V. (2009) The Nereus hybrid underwater robotic vehicle, Underwater Technology: The International Journal of the Society for Underwater Technology, 28(3):79 89. 16. Young, C.; Fletcher, B.; Buescher, J.; Whitcomb, L.L.; Yoerger, D. ; Bowen, A.; Mccabe, A.; Heintz, M.; Fuhrmann, R.; Taylor, C. and Elder, R. (2006)

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國 科 會 補 助 計 畫 衍 生 研 發 成 果 推 廣 資 料 表 日 期 :2012/11/12 國 科 會 補 助 計 畫 計 畫 名 稱 : 總 計 畫 計 畫 主 持 人 : 方 銘 川 計 畫 編 號 : 100-2221-E-006-022- 學 門 領 域 : 水 下 技 術 無 研 發 成 果 推 廣 資 料

年 度 論 利 數 量 數 ( 數 ) 論 / 論 數 數 數 利 金 說 數 列 參 力 論 利 參 力 理 論 / 論 / 數 數 數 利 金 理

不 力 了 ( 量 理 落 力 益 列 ) 量 量 路 參 數

度 利 1. 度 說 100 說 2. 利 論 利 100 3. 500 不 力 了 落