负浮力水下无人机概念设计及动力学行为研究

摘要

水下航行器在海洋资源开发和利用过程中扮演的角色愈发重要，日趋复杂的海洋调查和海洋工程任务对航行器的性能要求也越来越高。目前，绝大多数水下航行器为中性浮力设计，这样就需要携带大量的浮力材料，造成空间利用率较低，搭载能力不强的问题。而且，传统的水下航行器需根据载荷不同，更改布局设计，重新配平，为设计和维护带来了不便。因此，本文提出一种新型负浮力水下无人机，其在水中为负浮力状态，降低了对配平和空间布局的要求，且具有较高的空间利用率，搭载能力显著提高。本文使用负浮力水下无人机的动力学模型及其水动力参数，对其动力学行为进行了研究。主要内容如下：
　　(1)提出一种新型负浮力水下无人机的概念，其拥有一对可变攻角的大升阻比的机翼，在航行过程中，通过调整机翼角度，使其提供的升力平衡负浮力，实现定深航行。通过工作原理分析、数值计算和仿真，表明其具有可行性和先进性。
　　(2)建立了负浮力水下无人机的空间六自由度动力学模型。此模型考虑了螺旋桨转速、方向舵角、升降舵角和机翼安装角这几个控制量的共同作用，能够较为准确的反映负浮力水下无人机的动力学特性，并通过仿真验证了该模型的正确性。
　　(3)运用Fluent流体仿真软件对负浮力水下无人机的部分位置力系数及控制力系数进行了仿真，将部分系数与传统无人自主式水下航行器（简称AUV）进行了对比，为仿真提供了较为准确的依据。
　　(4)对负浮力水下无人机的运动进行了仿真。本文运用Matlab软件，通过四阶龙格-库塔数值方法对负浮力水下无人机的水平面、垂直面、空间螺旋运动进行了仿真，验证了动力学模型的正确性，证明了负浮力水下无人机的原理的正确性。
　　(5)对其垂直面运动和水平面运动动力学行为进行了研究，与传统 AUV进行对比，证明了其具有与传统AUV相同的运动性能。分析了横向运动与横滚运动的耦合性，水平面与垂直面运动的耦合性，并提出了较为有效的解耦方法。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪 论

1.1引言

1.2水下航行器研究现状

1.3课题研究意义

1.4课题研究内容

第二章 负浮力水下无人机的概念设计

2.1引言

2.2水下航行器的工作方式分析

2.3负浮力水下无人机的可行性分析

2.4负浮力水下无人机的先进性分析

2.5本章小结

第三章 负浮力水下无人机动力学建模

3.1引言

3.2坐标系统描述

3.3负浮力水下无人机的运动学模型

3.4负浮力水下无人机的动力学模型

3.5负浮力水下无人机的受力分析

3.6本章小结

第四章 水动力系数求解

4.1引言

4.2 Fluent仿真

4.3位置力及控制力系数计算

4.4旋转力系数估算

4.5附加质量估算

4.6本章小结

第五章 负浮力水下无人机动力学行为研究

5.1引言

5.2负浮力水下无人机运动仿真

5.3负浮力水下无人机动力学行为研究

5.4动力学模型耦合性仿真分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文总结

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢