小型自主水下航行器系统设计与运动分析

摘要

海洋油气资源的开发是国家能源安全的可靠保障，海上石油钻井平台等海洋资源开采设备日常维护量大且所处环境恶劣复杂，而人工维护存在着效率低、范围小、安全性差且成本高等问题。本课题为了解决上述出现的问题，设计了一种针对于狭小复杂环境的多推进式小型自主水下航行器。
　　本研究针对于狭小复杂的水下应用场景，确定航行器的设计理念为小巧灵活且高度自治，进而根据设计理念并结合实际需求，进行自主水下航行器的机械系统设计和控制系统设计，主要包括整体布局、推进系统设计、外形设计、计算流体力学仿真、传感器设计选型和整个电气控制系统设计等，通过不断的仿真优化确定航行器的最终设计，即基于视觉和惯性导航的多推进式小型自主水下航行器。针对于设计的航行器结构展开运动分析，得到航行器的运动学和刚体动力学模型，进而将合外力展开分析航行器受到的可控推力，附加质量力、粘性阻力和水下恢复力，最终确定实例化且包含流体阻力的航行器动力学模型，该模型是对整个航行器系统最精确的描述，且是控制模型的基础。根据航行器的水下应用场景，航行器采用了惯性测量和单目视觉的测量的方法，对经典的空气中的单目P4P模型进行改进应用于水下环境。同时，考虑到惯性测量的误差积累问题和视觉测量的离散性问题，课题设计了基于惯性测量和视觉测量的融合算法，通过迭代求解的过程解决上述两种测量的问题。为了了解各测量方法的实用性及测量误差，课题设计一套水下惯性和视觉测量联合误差分析装置，用以分析惯性测量、视觉测量及其融合测量的误差，并通过大量的水下实验对各种测量方法的误差进行分析。在上述虚拟设计和理论研究的基础上，研制了第一代自主水下航行器样机，并命名为SAIL号。以SAIL号样机为平台，通过实验对航行器的机械系统、电气系统、实例化的动力学模型和测量系统进行试验分析，表明自主水下航行器样机符合最初设计要求的小巧灵活的特点，后期将进一步展开航行器自治能力的研究。

目录

第1章 绪 论

1.1课题来源

1.2课题背景及研究意义

1.3航行器整体发展现状

1.4航行器技术研究现状

1.5本文的主要研究内容

第2章 自主水下航行器系统设计与分析

2.1引言

2.2需求分析及总体规划

2.3机械系统设计

2.4外形阻力分析

2.5控制系统设计

2.6本章小结

第3章 自主水下航行器运动分析

3.1引言

3.2航行器运动学分析

3.3航行器刚体动力学分析

3.4航行器流体阻力分析

3.5基于ADAMS的动力学模型分析

3.6本章小结

第4章 航行器水下位置和姿态测量

4.1引言

4.2航行器水下位姿测量方式与平台

4.3基于视觉的水下位姿测量

4.4水下位姿测量融合过程

4.5本章小结

第5章 航行器样机研制与实验分析

5.1引言

5.2 SAIL号航行器样机研制

5.3视觉与惯性测量及其融合测量评价实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢