AUV动力学模型研究及在组合导航中的应用

摘要

随着人类对海洋开发利用需求的不断增加，自主水下航行器(Autonomous UnderwaterVehicle，AUV)作为探测水下环境并自主完成特定作业任务的工具，越来越受到国内外学者的重视。
　　本文主要介绍了AUV的模型辅助惯性导航技术(MA-INS)，该技术可以在超短基线声纳定位系统(Ultra-short Base Line，USBL)和多普勒测速仪(Doppler Velocity Log，DVL)等辅助传感器无法正常工作的情况下，替代其得到AUV航行速度，辅助AUV实现精确惯性导航。论文根据AUV物理结构，建立了AUV水平面三自由度和垂直面三自由度动力学模型。采用FLUENT软件分别模拟AUV直航、斜航、纯俯仰、纯升沉、纯摇艏和纯横荡运动，实现AUV动力学模型中36个水动力系数计算。分析了水动力系数的拟合残差对AUV动力学模型结果的影响。
　　采用FLUENT软件分析船体行驶产生的船尾伴流对螺旋桨推力的影响，建立螺旋桨推力模型。论文研究了海流与AUV航行方向的夹角较小时，海流方向对螺旋桨推力的影响，比较了螺旋桨正转与反转的推力情况。仿真结果表明，当海流与AUV航行方向的夹角在0°到10°之间时，螺旋桨推力逐渐减小最大推力的5％，且螺旋桨正转时的推力大于螺旋桨反转时的推力。采用Simulink搭建仿真平台，计算AUV直航、水平面回转、水平面Z型运动、垂直面下潜、垂直面升沉等运动轨迹，分析得到AUV动力学模型的准确性及AUV操纵性能。针对系统模型不准确的情况下，利用改进Sage-Husa自适应滤波算法避免传统Kalman滤波精度下降问题，而且明显改善了传统Sage-Husa自适应滤波在高维状态下的不稳定现象，提高了系统的稳定性和滤波精度。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 模型辅助国内外研究现状

1．2．2 水动力系数辨识国内外研究现状

1．2．3 模型辅助组合导航

1．4 论文主要内容及组织结构

第二章 AUV动力学模型建立

2．1 AUV物理结构

2．2 AUV动力学模型建立

2．2．1 坐标系建立

2．2．2 运动学方程建立

2．2．3 动力学方程建立

2．2．4 三自由度动力学模型

2．3 本章小结

第三章 基于FLUENT的水动力系数计算

3．1 动力学模型中参数辨识方法

3．2 数值计算过程

3．3 水动力试验仿真

3．3．1 直航仿真试验

3．3．2 斜航仿真试验

3．3．3 纯升沉运动仿真试验

3．3．4 纯俯仰运动仿真试验

3．3．5 纯横荡运动仿真试验

3．3．6 纯摇艏运动仿真试验

3．3．7 经验公式估计水动力系数

3．4 水动力系数汇总

3．5 本章小结

第四章 船尾螺旋桨推力模型建立

4．1 物理模型

4．2 船尾伴流计算

4．2．1 船尾伴流数值解算

4．2．2 船尾伴流计算结果

4．3 螺旋桨推力计算

4．3．1 螺旋桨数值解算

4．3．2 螺旋桨数值解算

4．3．3 船尾伴流速度对螺旋桨推力的影响

4．3．4 无海流情况下螺旋桨推力结果

4．3．5 海流对螺旋桨推力的影响

4．3．6 正转反转时螺旋桨的推力

4．3．7 AUV动力系统推力和力矩建模

4．4 本章小结

第五章 AUV操纵性能分析及运动仿真

5．1 运动轨迹仿真框架

5．2 AUV运动轨迹仿真与分析

5．2．1 直航

5．2．2 水平面回转

5．2．3 水平面Z型运动

5．2．4 垂直面下潜

5．2．5 垂直面升沉

5．3 本章小结

第六章 基于自适应滤波的模型辅助组合导航

6．1 组合导航模型建立

6．1．1 系统状态方程

6．1．2 系统量测方程

6．2 卡尔曼滤波算法

6．2．1 离散卡尔曼滤波基本方程

6．2．2 连续系统的离散化

6．3 Sage-Husa自适应滤波算法

6．4 强跟踪卡尔曼滤波器

6．5 改进Sage-Husa自适应滤波器

6．6 仿真与分析

6．6．1 初始条件及仿真参数设定

6．6．2 仿真结果分析

6．5 本章小节

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文