深海载人潜水器动力学建模研究及操纵仿真器研制

摘要

二十一世纪，人类将在海洋大显身手，将在深海大闹革命。海洋是远没充分开发的宝库。海洋里的矿物、生物资源是陆地的1000倍，地球上约85％的物种生活在海洋。可以说，谁控制了深海，谁就掌握了未来世界的资源。我国是一个占世界总人口五分之一的人口大国。然而，就我国的人均资源拥有量来衡量，我国是一个资源贫国。为了中华民族的持续繁荣发展，我国必须拓展深海资源和能源基地。而深海资源的勘探、开发、利用需要高科技的深海装备。研究开发我国自己的深海载人运载器，缩短与发达国家的技术差距，对于保证我国长期可持续发展具有重要意义。
　　 本文选题来源于国家“十五”863重大专项“7000米载人潜水器”(批准号：2002AA401002)，在课题组已有的试验与设计资料基础之上，围绕深海载人潜水器运动的动力学、潜水器机械手系统动力学建模与仿真、深海载人潜水器操纵仿真器开发，采用理论分析、试验测量和数值模拟相结合的方法进行研究和开发。
　　 由于载人潜水器在使命任务、主尺度、外形和水动力布局等方面潜艇、潜水器(ROV、AUV)等深潜航行器相比，存在较大差异，因此对其水动力特性和机动性能要求有很大不同，在研究背景和内容上，本文的研究很有现实意义，具有开拓性，可为该领域的进一步研究奠定很好的基础。根据研究内容，本文的主要贡献和创新点在于：
　　 1.综合丰富的拘束船模试验资料，建立了适用于不同运动工况的水动力计算模型，综合得到了描述载人潜水器六自由度空间运动的一般方程式。通过数值仿真，预报了载人潜水器的各项常规操纵性能，得到了合理的计算结果。研究结果为深海载人潜水器常规机动性能的理论预报研究、数值仿真和系统设计打下了基础。
　　 2.根据模型试验资料，通过回归分析，得到了描述载人潜水器在全漂角和全攻角范围内的水动力模型，并用于载人潜水器特殊机动性能的理论预报研究；研究结果已在深海载人潜水器系统设计中得到应用。
　　 3.根据HOV装备的水下机械手设计资料，提出了HOV水下机械手运动学、动力学数学模型，综合上面得到的HOV运动的一般方程式，得到了描述HOV-机械手系统运动的动力学数学模型。仿真计算结果显示了HOV-机械手系统数学模型的有效性，并在深海载人潜水器系统研发中应用，取得了良好的效果。
　　 4.提出了载人潜水器操纵仿真器体系结构及载人潜水器运动操纵仿真数学模型，并应用于7000米载人潜水器操纵仿真器的研制中。该操纵仿真器是一套人在回路中的实时视景仿真系统；它首次建立了载人潜水器操作和运动的模拟环境，可综合评估载人潜水器的操纵运动性能；建立了载人潜水器驾驶员陆上模拟训练条件，能使驾驶员身临其境，获得强烈的浸深感，使驾驶员在进入实艇驾驶前熟悉潜水器的性能、操作模式和操作环境。利用该操纵仿真器对潜航员进行的操作培训，获得了良好的训练效果，具有很好的现实意义。
　　 5.首次提出深海载人潜水器操纵技巧评价体系，用于检验和考核深海载人潜水器驾驶人员的操纵技巧，可综合考虑多个因素或多个指标，并在潜航员模拟培训和水池训练中被采用，在考核潜航员操纵技能、提高培训水平上发挥了很好的作用。
　　 论文最后对所做工作进行了总结，并提出了进一步研究的方向。
　　 本文的部分研究成果已经在深海载人潜水器的研发工作中得到了实际的应用，为7000米载人潜水器系统研发及潜航员培训做出了重要贡献。不仅如此，它对于UUV、AUV、ROV等无人潜水器的研究设计也具有很好的参考与应用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1前言

1.2国内外研究现状综述

1.2.1国内外潜水器发展与应用情况简介

1.2.2潜水器操纵性研究简介

1.2.3复杂深水环境水动力特性研究

1.2.4潜水器机械手系统动力学研究

1.3本文的工作

第二章深海HOV运动学动力学建模

2.1 HOV坐标系

2.2 HOV主要参数

2.3运动学

2.4动力学

2.4.1惯性类水动力

2.4.2粘性类水动力

2.4.3空间耦合运动水动力

2.4.4静力(矩)

2.4.5推力／推力矩

2.5空间六自由度一般运动方程组

2.6特殊运动的动力学建模与分析

2.6.1大漂角运动水动力特性分析

2.6.2大攻角运动水动力的综合表达式

2.7海流作用下载人潜水器六自由度运动数学模型

2.7.1基本方程及假定

2.7.2海流作用下潜水器运动数学模型

2.8小结

第三章深海HOV运动的数值仿真研究

3.1数值仿真运动方程的建立

3.2 HOV运动数值仿真

3.2.1直航运动

3.2.2回转运动

3.2.3空间潜浮运动

3.2.4空间螺旋运动

3.3小结

第四章潜水器-机械手系统动力学建模与分析

4.1参考系及运动关系

4.2 UVMS运动学

4.3 UVMS动力学

4.3.1准拉格朗日公式

4.3.2 UVMS系统动力学分析

4.3.3潜水器-机械手系统分类模型

4.4 HOV－机械手系统动力学

4.4.1动能

4.4.2水动力

4.4.2重力和浮力

4.5小结

第五章深海HOV机械手系统动力学建模与仿真

5.1 HOV机械手运动学

5.2 HOV机械手动力学

5.2.1机械手动力学模型

5.3 HOV-机械手系统运动仿真方程组

5.4仿真计算

5.5 小结

第六章深海HOV操纵仿真器开发

6.1 HOV操纵仿真器硬件体系结构

6.2 HOV仿真器软件体系结构

6.3运动仿真方法

6.3.1推力器各向推力表达式

6.3.2推力器自动控制数学模型

6.3.3纵倾调节模拟

6.3.4实时仿真

6.4航迹显示

6.4.1电子海图

6.4.2碰撞检测

6.4.3载人潜水器航行计算及显示

6.4.4水动力模型解算软件的接口

6.5海底虚拟视景系统

6.5.1视景建模

6.5.2基于OpenGVS的视景驱动

6.5.3特效

6.6模拟载人舱显控系统

6.6.1硬件体系结构

6.6.2软件体系结构

6.6.3综合信息显示

6.6.4共享数据区管理模块

6.6.5网络通讯模块

6.7教控台

6.8小结

第七章深海载人潜水器操纵技巧评价方法

7.1基本理论

7.1.1预备知识

7.1.2基本原理

7.2多层次模型

7.3操纵技巧综合评价体系

7.3.1操纵技巧综合评价模型

7.3.2各因素权重的确定方法

7.4实例分析

7.5 结论

第八章研究总结与展望

8.1本文工作总结

8.2未来工作展望

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读博士学位期间发表的论文