智能水下机器人模块化建模技术研究

摘要

正如基于火箭推送系统的宇宙飞船、探测器等是人类探测宇宙空间的必备手段,专为水下作业尤其是深海作业而生的智能水下机器人,摆脱了线缆限制,基于人工智能的决策与控制技术,自主完成预定任务,成为人类对海洋探测、开发与利用的最佳工具。针对定向任务的智能水下机器人,只能搭载有限的功能负载,无法满足日益多样性的任务需求。目前较可行的解决方案是:研制一种模块化的,任务可重构、功能可扩展的水下机器人,它具有一套按照统一标准设计的功能模块。配置不同的功能部件,就能实现不同功能,使同一个/款水下机器人,完成多种任务成为可能。与智能水下机器人结构和硬件方面的模块化相匹配,对潜水器建模时也采用模块化的思想,提升了数据的利用率和工作效率,降低了水动力的模块化应用的复杂程度,为模块化技术的应用和普及提供便利。
　　首先基于水下机器人模块化理论与理念,给出了模块与开放平台的的概念,详述了模块的划分原则。按照功能和结构两种方式对模块进行分析。已成型的模块需要选择一种简单高效的建模方法,通过对模块结构以及其它影响因素的分析,基于模块化理论,建立一种简单有效的,水动力模块化建模方法。
　　为了构建出水下机器人的水动力模型,分析了水下机器人的运动学模型和动力学模型。建立两个坐标系,并推导出坐标变换关系,根据牛顿第二定律,将水下机器人设为刚体,推导出运动学模型。在此基础上,所有外力归类分析,通过推导与计算,建立动力学模型,继而得到两个坐标系下,六自由度运动的平衡方程。
　　对水下机器人进行模块化建模,根据模块化原则,利用流体力学的理论,以及经验公式,确立模块化水动力模型的建立方法。针对流行艇体,将模块数据化,建立标准的模块数据格式。结合经验公式和切片理论,给出基于模块的受力分析方法。通过模块化的分析方法,建立完整的模块化六自由度水动力模型。
　　通过仿真对比试验,将建立的模型与传统的水动力模型相比较,通过潜水器各个典型机动状态下的运动参数的对比,验证模块化水动力建模的可行性。并设计能够快速得到水下机器人动力学参数的算法软件,进一步提升模块化建模的便利性,以契合模块化技术为智能水下机器人的设计、制造和使用提供最大便利的初衷。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1背景

1.2水下机器人应运而生

1.3智能水下机器人的发展现状

1.4水下机器人的用途

1.5发展模块化智能水下机器人技术的意义

1.6模块化建模的意义

1.7论文主要工作

第2章 模块化理论

2.1模块化理论简介

2.2模块化的划分

2.3水下机器人水动力建模的基本情况

2.4模块化建模的基本原理

2.5模块化建模的现状

2.6模块化建模的方法

2.7本章小结

第3章 智能水下机器人的水动力学模型

3.1坐标系的确立

3.2刚体的运动方程

3.3水下机器人的受力建模

3.4水下机器人动力学方程

3.5本章小结

第4章 水动力模型的模块化建模

4.1水下机器人模块化水动力建模原理

4.2艇体基础模型

4.3水动力方程的模块化建模

4.5本章小结

第5章 模块化建模的仿真对比

5.1模块化建模的仿真对比

5.2定常回转运动

5.3水平面Z形运动

5.4垂直面内梯形操舵运动

5.5本章小结

第6章 模块化水下机器人动力学参数计算程序实现

6.1程序框架

6.2程序计算过程

6.3本章小结

结论

参考文献

读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢