波浪驱动无人水面机器人驱动机理研究与实现

摘要

波浪驱动无人水面机器人是一种先进的海上观测平台。海上观测平台的发展不仅是海洋观测技术的需要，从国家海洋战略上来讲也具有十分重要的意义。波浪驱动无人水面机器人观测尺度大、时序长的特点使其相比其他海洋观测平台而言具有无可比拟的优势，波浪驱动无人水面机器人在海洋水文观测、海洋生物研究以及水质监测等方面都具有广阔的应用前景。
　　波浪驱动无人水面机器人由水面浮体、中间系缆和水下驱动载体三部分组成。在水下驱动载体实现原理以及功能要求上创造性地设计出另外两种水下驱动载体，为波浪驱动无人水面机器人驱动性能的提高拓宽了思路。
　　本文从现有的翼板型水下驱动载体出发，从刚性驱动方式联想到柔性驱动方式，再结合传统的水下螺旋桨驱动方式，提出了三种不同结构水下驱动载体的设计要求。通过三维建模到水动力仿真以及水池实验的方式对水下驱动载体的驱动性能进行了研究。通过对每种水下驱动载体自身条件参数的设定，比较了三者的驱动性能。基于复杂的水动力理论，利用Solidworks建立了三种载体的三维模型，通过模型简化建立了载体的动力学方程。结合ANSY CFX对模型进行了仿真分析，得到在输入条件下每种模型能够提供的向前推力的大小。
　　搭建水池实验平台为在水池中进行海上波浪模拟提供了技术条件。利用PLC程序控制伺服电机的输出，模拟海上波浪带动水下驱动载体上下运动的过程。在设定电机固定输入的条件下，将实验平台搭载不同的水下驱动载体，记录平台向前运动的时间与距离，通过计算得到平台在不同载体驱动下的前进速度，从而比较载体的驱动效率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 波浪驱动无人水面机器人研究背景

1．2 波浪驱动无人水面机器人技术发展现状

1．3 波浪驱动无人水面机器人技术应用前景

1．4 论文的主要工作

第2章 波浪驱动无人水面机器人驱动原理研究

2．1 引言

2．2 翼板型水下驱动载体驱动原理研究

2．2．1 翼板型水下驱动载体驱动原理

2．2．2 翼板型水下驱动载体设计

2．2．3 翼板型水下驱动载体模型方程的建立

2．3 蹼翼型水下驱动载体原理研究

2．3．1 蹼翼型水下驱动载体驱动原理

2．3．2 蹼翼型水下驱动载体设计

2．3．3 蹼翼型水下驱动载体模型方程的建立

2．4 螺旋桨型水下驱动载体驱动原理研究

2．4．1 螺旋桨型水下驱动载体驱动原理

2．4．2 螺旋桨型水下驱动载体的设计

2．4．3 螺旋桨型水下驱动载体模型方程的建立

2．4 本章小结

第3章 水下驱动载体水动力仿真研究

3．1 引言

3．2 水下驱动载体水动力计算基础

3．3 翼板型水下驱动载体水动力仿真研究

3．3．1 翼板型水下驱动载体三维仿真模型建立

3．3．2 翼板模型网格划分

3．3．3 翼板模型水动力计算结果处理

3．4 蹼翼型水下驱动载体水动力仿真研究

3．4．1 蹼翼型水下驱动载体三维仿真模型的建立

3．4．2 蹼翼模型网格划分

3．4．3 蹼翼模型水动力计算结果处理

3．5 螺旋桨型水下驱动载体水动力仿真研究

3．5．1 螺旋桨仿真模型的建立

3．5．2 螺旋桨模型网格划分

3．5．3 螺旋桨模型水动力计算结果处理

3．6 水下驱动载体水动力仿真结果对比

3．7 本章小结

第4章 波浪驱动无人水面机器人水池实验平台的设计

4．1 引言

4．2 实验平台驱动原理

4．3 实验平台设计

4．3．1 水面母船的设计

4．3．2 电机以及减速器选型

4．4 实验平台的搭建

4．5 本章小结

第5章 波浪驱动无人水面机器人驱动效率分析与比对

5．1 引言

5．2 水池实验

5．2．1 实验方案

5．2．2 实验数据获取

5．3 实验数据分析

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介