河流水下自主航行器系统设计及运动仿真

摘要

近年来随着水下自主航行器的快速发展，它在越来越多的领域得到了广泛的重视，并发挥着重要作用。微小型水下自主航行器由于体积小、重量轻、阻力小、成本低等优点成为近年来的研究热点。在设计中最大程度提高总体性能，使其续航更久、成本更低，建立运动仿真系统，并掌握其操纵性能有着重要意义。 本文研究设计了用于河流探测的河流水下自主航行器，对其进行了系统设计和运动仿真系统的搭建，完成的工作主要包括以下几个方面： （1）分析河流水下自主航行器任务特点，对其系统按学科不同进行划分，将整个系统分为结构、阻力、能源、推进四个子学科系统，对这四个学科分别进行分析与建模，得到了各个学科中变量及因素与总体性能之间的关系，并根据规范和经验确定了初始设计方案。 （2）针对传统设计方法所设计出的水下航行器总体性能欠佳问题展开了分析与研究。对多学科优化设计方法在河流水下自主航行器设计中的应用进行研究。对不同的优化设计框架和优化算法进行分析讨论，并通过算例计算进行对比，确定了基于同时分析与设计方法优化框架的序列二次规划优化算法作为该水下机器人多学科优化算法。基于上述算法对河流水下自主航行器进行优化，将总阻力和总重量作为优化目标，优化后的方案与初始设计方案对比，优化效果明显，证明该优化算法适用于河流水下自主航行器的优化设计。 （3）对该水下航行器整体系统进行研究设计，完成了总体布置，并对重心浮心进行校核；对河流水下自主航行器的控制系统进行设计分析，针对一般水下航行器控制系统复杂、拆装维修麻烦的问题进行研究，基于模块化思想，对控制舱内电气系统和核心控制板开展设计研究，使设计的控制舱可以实现快速拆装和维修。 （4）建立该水下航行器的运动仿真模型并搭建运动仿真系统。根据优化后的方案，对河流水下自主航行器多桨操纵下的运动进行了研究，根据其运动特点建立空间运动的动力学方程。通过实验获取推进器推力曲线，使用流体计算软件求取艇体水动力系数。建立运动仿真系统，实现了水平面、垂直面和空间仿真操纵的目的。 本文对河流水下自主航行器进行系统设计并开展了多学科优化研究，根据优化后的艇型，建立运动仿真系统，为实际工程应用提供一定参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1概述

1.2小型水下航行器发展现状

1.3水下航行器运动仿真技术

1.4水下航行器多学科优化设计研究现状

1.5论文的主要研究内容

第2章 河流水下自主航行器学科设计分析与参数化建模分析

2.1引言

2.2 河流水下自主航行器的设计任务目标

2.3河流水下自主航行器学科分析与方案初选

2.4本章小结

第3章 河流水下自主航行器多学科优化和方案选择

3.1引言

3.2多学科设计问题描述

3.3多学科优化设计框架

3.4基于同时分析与设计框架下的序列二次规划算法应用研究

3.5河流水下自主航行器优化过程

3.6优化结果及分析

3.7本章小结

第4章 河流水下自主航行器系统设计

4.1引言

4.2河流水下自主航行器的系统构成

4.3河流水下自主航行器总体布置及重心稳性校核

4.4河流水下自主航行器的控制系统设计

4.5本章小结

第5章 河流水下自主航行器操纵性仿真实验

5.1水下航行器动力学分析与仿真建模

5.2河流水下自主航行器水动力获取

5.3河流自主航行器仿真系统建立

5.4水平面仿真实验

5.5垂直面仿真实验

5.6空间运动仿真实验

5.7本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢