矢量推进水下航行器动力学建模及动力学行为研究

摘要

近几年来,我国开始注重深海资源的开发与利用。深海丰富的资源能够解决当前我们面临的资源短缺问题。这为水下航行器研究提供了广泛的背景与需求。由于海流、海浪等工作环境干扰大,海洋环境恶劣,对水下航行器的要求越来越高。ROV(Remote Operated Vehicle)的研究已较成熟,由于AUV(Autonomous Underwater Vehicle)有比它更好的性能,因此目前AUV是水下航行器研究的热点。而许多AUV在执行任务时,往往航行速度较低。传统的舵控制AUV在低速下操纵性低,无法满足控制要求。矢量推进式AUV由于其在低速下还具有很好的操纵性,这使得矢量推进式AUV具有极大的研究意义。
　　首先建立矢量推进式AUV的数学模型,再用软件仿真和经验公式计算,对水动力系数进行计算。由于AUV的横向-横滚运动、水平面运动与纵垂直面运动存在着耦合关系,提出相应的解耦方法。最后在数学模型和水动力系数的基础上,研究矢量推进式AUV的动力学行为。
　　本文研究的深水 AUV采用单矢量推进器进行航向控制的自治式水下航行器,与采用传统的鳍舵进行航向控制的AUV相比,具有更好地低速操控性及定位精度。根据单矢量推进式AUV的特点,将AUV的推力视为螺旋浆转速及矢量推进器摆角的函数,运用Newton-Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型动力学模型,采用四阶五级龙格-库塔方法对单矢量推进式AUV动力学模型进行了求解,在 Matlab环境下对其动力学行为进行了仿真预测,并通过湖试验证了所建模型的正确性,为控制系统的设计奠定了基础。
　　本文主要的研究内容有:
　　1、在不考虑浮力系统的情况下,将 AUV近似视为一个刚体,运用刚体的动力学定理和运动学推导得到了AUV的数学模型。
　　2、运用Fluent软件计算 AUV的水动力系数,查找鱼雷、潜艇等的外形与AUV相似的水下航行器的经验公式对水动力系数进行估算,再对两种方法所得的结果进行比较。
　　3、运用MATLAB和已经得到的数学模型和水动力系数对AUV进行仿真,分别对耦合度较弱的水平面及垂直面进行仿真,并仿真空间螺旋上升运动。同时对仿真结果进行分析。
　　4、研究深水AUV在试验阶段增加的尾翼对AUV整体稳定性的影响。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2水下机器人发展状况

1.3矢量推进与舵操作水下机器人的比较

1.4研究目的及意义

1.5本文主要研究内容

第二章 矢量推进式AUV的数学模型

2.1引言

2.2矢量推进式AUV运动数学模型

2.3矢量推进式AUV动力学模型

2.4矢量推进式AUV的数学模型

2.5 本章小结

第三章 矢量推进式AUV水动力系数的计算

3.1引言

3.2 FLUENT仿真

3.3水动力系数估算

3.4两种方法得到的水动力系数比较

3.5本章小结

第四章 矢量推进式AUV的动力学行为研究

4.1引言

4.2平面运动和空间运动分析

4.3动力学行为研究

4.4矢量推进式AUV低速操纵性

4.5本章小结

第五章 带尾翼AUV的稳定性分析

5.1引言

5.2 尾翼的水动力系数

5.3尾翼的稳定性分析

5.4尾翼的外形影响

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1本文结论

6.2工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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