水下機(jī)器人畢業(yè)論文

1、1緒論11.1研究意義11. 2 auv 介紹21.3國內(nèi)外auv研究動(dòng)態(tài)2l4動(dòng)態(tài)仿真研究現(xiàn)狀31. 5本文主要研究內(nèi)容 42 auv總體設(shè)計(jì)和三維建模2. 1形體的選擇62.2設(shè)計(jì)內(nèi)容62.3三維建模73 auv的動(dòng)力學(xué)分析103. 1坐標(biāo)系103. 2定義運(yùn)動(dòng)參數(shù)103.3受力分析114推進(jìn)器動(dòng)態(tài)仿真164. 1 adams 仿真164. 2 fluent 仿真 205. 2. 1理論基礎(chǔ)206. 2.2仿真前期準(zhǔn)備214. 2. 3 fluent數(shù)值模擬計(jì)算 235總結(jié)29參考文獻(xiàn)30致謝31附圖32海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真1緒論1-1研究意義今天的人類正面臨著人口、資源和環(huán)境三

2、大難題。隨著各國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界 人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正日益減少。為了生存 和發(fā)展，人們必須尋找新的物質(zhì)來源，海洋應(yīng)當(dāng)是首選。海洋是一個(gè)巨大的資源寶庫，開發(fā)藍(lán)色國土，拓展生存和發(fā)展空間，”人類重返海 洋”將成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)。世界沿海國家和地區(qū)正在進(jìn)入全面開發(fā)利用海洋的 新時(shí)期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韓、印度以及東盟諸國等140多個(gè)國家相 繼制定海洋科技發(fā)展和海洋開發(fā)計(jì)劃，采取具體措施加快搶占海洋科技的制高點(diǎn)，海洋 開發(fā)已成為全球產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要標(biāo)志，海洋經(jīng)濟(jì)已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長點(diǎn)。海 洋是強(qiáng)國之本。誰掌握了海洋，誰就掌握了經(jīng)濟(jì)發(fā)展

3、的未來。沒有強(qiáng)大的海洋科技事業(yè), 沒有強(qiáng)大的現(xiàn)代海洋經(jīng)濟(jì)，就不可能成為真正的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國。我國是海洋大國，但不是強(qiáng) 國，人均占有陸地面積和資源量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，研究開發(fā)利用海洋是順應(yīng)世 界海洋開發(fā)大潮。為了推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，科技部、國家計(jì)委、國家海洋局、 農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推出了 “科技興?！庇?jì)劃。中國海洋21世紀(jì)議程把“科教興?！弊鳛楹?洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大意義的戰(zhàn)略選擇。海洋經(jīng)濟(jì)的開放性和帶動(dòng)性，強(qiáng)滲透力、寬 輻射，可以拓展新的經(jīng)濟(jì)增長空間，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，建立開放型特色經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)我國更 快走向世界，對(duì)實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興具有重要政治經(jīng)濟(jì)意義。21世紀(jì)是人類向海洋進(jìn)軍的世紀(jì)。深海作

4、為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng)域之 一，已經(jīng)成為各國的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，也是近幾年國際上激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。水下機(jī)器 人作為一種高技術(shù)手段在海洋開發(fā)和利用領(lǐng)域的重要性不亞于宇宙火箭在探索宇宙空 間中的作用。然而水下機(jī)器人如果直接進(jìn)行海試或湖試，則需要承擔(dān)極大地風(fēng)險(xiǎn)，由此計(jì)算機(jī)仿 真應(yīng)運(yùn)而生。仿真系統(tǒng)提供一種有效的試驗(yàn)來檢驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)，這種試驗(yàn)可以為設(shè)計(jì)者、 使用者和購買者揭示和預(yù)測(cè)一些有價(jià)值的信息。仿真系統(tǒng)有助于使各系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間 的協(xié)調(diào)。另外，仿真系統(tǒng)可以模擬各種場(chǎng)景，用于各種操作訓(xùn)練，節(jié)約實(shí)地訓(xùn)練的費(fèi)用， 最大限度地降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)。通過adams/matlab建立仿真模型，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制路徑

5、 的模擬，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。在海底工作的動(dòng)力來源就是推進(jìn)器，所以通過對(duì)推進(jìn)器的流體仿真，研究其所受的的阻力以及葉片周圍流體所受的壓力變化，對(duì)于auv的運(yùn)動(dòng)控制的 精確性具有極大的指導(dǎo)意義。1.2 auv介紹當(dāng)前水下機(jī)器人的種類很多，其中載人潛器、有纜潛器(rovs)和自治水下機(jī)器人 (auvs)是三類最重要的潛器，自治水下機(jī)器人auvs是英語“自治水下潛器” (autonomous underwater vehicles)的縮寫。auvs不配備主纜和系纜，因此它乂稱為無人無纜水下機(jī)器人(unmanned untethered vechiles縮寫uuvs)。這類水下機(jī)器人攜帶能源，依靠自身的自治能

6、力來管理自己、控 制自己，以完成賦予它的使命，自治水下機(jī)器人也就因此得名。由于微電子技術(shù)、計(jì)算 機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)的飛速進(jìn)展，再加上海洋工程和軍事活動(dòng)的需要，國 外產(chǎn)業(yè)界和軍方再次對(duì)無纜水下機(jī)器人發(fā)生了興趣。許多研究表明，無纜水下機(jī)器人是 一種非常適合于海底搜索、調(diào)查、識(shí)別和打撈作業(yè)的既經(jīng)濟(jì)乂安全的工具。與載人潛水 器相比較，它具有安全(無人)、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、尺寸小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。而與rovs 相比，它具有活動(dòng)范圍大、潛水深度深、不怕電纜纏繞、可進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中、不需要龐 大水面支持、占用甲板面積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)內(nèi)囚。1.3 國內(nèi)外auv研究動(dòng)態(tài)海洋機(jī)器人在過去幾十年間為世界各國

7、的海軍、石油開發(fā)和救援打撈開辟了嶄新的 活動(dòng)領(lǐng)域。用這種高度計(jì)算機(jī)化、有的已開始了不需要人進(jìn)行控制的機(jī)器人進(jìn)行探索海 底，可提供關(guān)于海底的大量數(shù)據(jù)。當(dāng)今世界各國的一些主要的海洋研究中心傾注很大的 精力正在研制或使用數(shù)十種可深潛的海底機(jī)器人。在技術(shù)方面，美國的水平領(lǐng)先于世界， 歐洲各國其次，而日本要落后于美國和歐洲。這些機(jī)器人的造價(jià)與載人潛水器相比，造 價(jià)低得多，但更加安全，而且可長時(shí)間在壓力很大的海底工作。從上世紀(jì)90年代中期 以來，自主式水下航行器(auv)在海洋科學(xué)調(diào)查以及軍事領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。 截止到2005年，世界上共研制了約70艘auv, auv已經(jīng)多次成功地應(yīng)用于海底石油與

8、 天然氣、天然氣水合物、大洋多金屬結(jié)核和熱液硫化物礦床等海洋礦產(chǎn)資源的探測(cè)。auv 的最新應(yīng)用主要體現(xiàn)在水雷搜索，冰下探測(cè)以及水下作業(yè)中。目前，美國在開發(fā)工作方面正朝著無纜預(yù)編程式(即自主式)海底機(jī)器人的方向發(fā) 展。在過去的20年里，全球各主要國家所研制的auv,其中美國占了一半。就其性能 而言，應(yīng)數(shù)美國海軍的水下搜索系統(tǒng)(auss)和新罕布什爾州大學(xué)的小型auv,即試驗(yàn)性 的自主式eaveeast,主要用于水下管道和平臺(tái)的檢查。美國auv的研究和開發(fā)經(jīng)費(fèi)90與來自國防部的財(cái)政支持，主要通過國防高技術(shù)研究 項(xiàng)目局(darpa)和海軍有關(guān)部門給予撥款。早在1988年，國防高技術(shù)研究項(xiàng)目局提出了

9、開發(fā)既像無人潛水器uuv那樣自由浮游，乂像登陸艇那樣能離開水域進(jìn)入內(nèi)陸的兩棲性 自主式機(jī)器人。美國海軍控制和海洋監(jiān)測(cè)中心于1983年推出了先進(jìn)的自主式無人搜索 系統(tǒng)(auss),本系統(tǒng)的外形尺寸為510cmx75cm,有效負(fù)荷不定。系統(tǒng)用銀鋅電池作為 動(dòng)力源，系統(tǒng)配置了側(cè)掃聲納、前視聲納、35mm靜物照相機(jī)、ccd水下攝像機(jī)。導(dǎo)航系 統(tǒng)由多普勒聲納、先進(jìn)的精密陀螺儀和周期性更新的水聲通道組成；水面母船借助lbl 發(fā)射應(yīng)答網(wǎng)執(zhí)行跟蹤任務(wù)?，F(xiàn)在auss為第二代先進(jìn)的作業(yè)型自主式海底機(jī)器人，潛航 深度6000m,用于評(píng)價(jià)深海海底搜索技術(shù)和執(zhí)行深海海底搜索作業(yè)使命。近年來我國政府十分重視auv的發(fā)展，

10、投入了較大的人力和財(cái)力，在20世紀(jì)90年 代我國auv的研制取得了重大突破，典型代表有“探索者”號(hào)1000米無人無纜遙控潛 水器和“cr-01a” 6000米無人無纜遙控潛水器。自主式無纜海底機(jī)器人是國家863高 技術(shù)發(fā)展計(jì)劃支持項(xiàng)目，由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、聲學(xué)研究所、中國船舶工業(yè) 總公司702所、哈爾濱工程大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)研制的“探索者”號(hào)自 主式無纜海底機(jī)器人，是以大范圍搜索、觀察水下1000m或6000m失事目標(biāo)為主要使命 特征的。我國在軍用auv的研究中也取得了很好的成績，研制出三型軍用智能水下航行器。 其試驗(yàn)平臺(tái)“智水ii號(hào)”于1995年夏進(jìn)行了湖試，在自主導(dǎo)

11、航、自主避障和自主簡單 作業(yè)等方面取得了成功的試驗(yàn)驗(yàn)證和寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，北京航空航天大學(xué)目前正致力于仿生機(jī)器魚的研究，已研制出多種形式的仿 生機(jī)器魚，為水下航行器新型推進(jìn)器技術(shù)和新型結(jié)構(gòu)的研究，奠定了良好的基礎(chǔ)。1.4 動(dòng)態(tài)仿真研究現(xiàn)狀機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)首次出現(xiàn)于1980年前后，作為一門新興技術(shù)，它最 初被應(yīng)用在汽車、鐵路等領(lǐng)域中。woongsang等以提高汽車的穩(wěn)定性和控制能力為目標(biāo), 進(jìn)行汽車四輪定位系統(tǒng)研究。由于此前研究都是采用簡化模型，使用二維結(jié)構(gòu)或以自行 車代替，測(cè)得的數(shù)據(jù)很不可靠。后來隨著分析手段的提高，動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)開始大 量地應(yīng)用于空間科學(xué)、石油、機(jī)器人等領(lǐng)域

12、，noel通過在動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立、分 析和優(yōu)化模型，得到了飛機(jī)起落架的動(dòng)態(tài)性能。arenz等針對(duì)goliath移動(dòng)機(jī)器人模型, 利用adams、ansys和matlab三者聯(lián)合進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并針對(duì)goliath移動(dòng)機(jī)器人 控制算法進(jìn)行研究，然后在動(dòng)力學(xué)仿真軟件中加以檢驗(yàn)。隨著水下機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷的擴(kuò)展，水下機(jī)器人正朝著復(fù)雜化、多功能化方向 發(fā)展。auv正是一個(gè)由多個(gè)系統(tǒng)組成的復(fù)雜大系統(tǒng)，它包括載體系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航 系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。這不僅增加了 auv各系統(tǒng)之間集成的難度，也使得auv整體性能驗(yàn)證和評(píng)價(jià)成為一件困難的事情。由 于auv

13、的復(fù)雜性、智能控制的局限性和環(huán)境感知的低能，因此auv可靠性、穩(wěn)定性和自 主能力在沒有得到確切的驗(yàn)證之前，對(duì)auv進(jìn)行海上實(shí)驗(yàn)是有很大的危險(xiǎn)性。另一方面, 由于海洋環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)，在海上進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，除了沒有安全性之外，還有實(shí)驗(yàn)成本 高，周期長的缺點(diǎn)。因此，auv整體性能驗(yàn)證和評(píng)價(jià)已經(jīng)成為auv發(fā)展的瓶頸，而建立 auv實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是解決這個(gè)瓶頸問題的有效途徑。控制系統(tǒng)仿真是控制技術(shù)人員在開發(fā)控制系統(tǒng)時(shí)所經(jīng)常使用的。通?；诤喕谋?控系統(tǒng)模型，構(gòu)建控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制算法，然后利用仿真分析被控系統(tǒng)的性能（如導(dǎo) 彈的反應(yīng)時(shí)間、跟蹤精度等）i4121 o1.5 本文主要研究內(nèi)容借鑒國內(nèi)外較為先進(jìn)的

14、auv,采用母型設(shè)計(jì)法，對(duì)其外形和部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使 其在達(dá)到總體性能要求的同時(shí)，盡量減小其體積和降低生產(chǎn)成本。在用solidworks完 成三維造型設(shè)計(jì)之后，在adams中進(jìn)行仿真分析，建立簡單的控制系統(tǒng)，然后在利用流 體仿真軟件fluent對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行流體分析，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下推力情況，具體內(nèi)容如下:第一章緒論本章論述了研究、開發(fā)、利用和保護(hù)海洋的重要性和迫切性，概述了水下航行器的 發(fā)展和應(yīng)用狀況，分析了國內(nèi)外auv的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)以及現(xiàn)階段對(duì)動(dòng)態(tài)仿真的研究， 明確了本文研究的任務(wù)、意義和主要內(nèi)容。第二章auv總體設(shè)計(jì)和三維建模本章主要是論述了 auv的總體設(shè)計(jì)及形體選擇原則，根據(jù)二維圖紙

15、進(jìn)行三維建模， 對(duì)主要零件進(jìn)行功能分析，并簡要闡述了所研究對(duì)象的主要參數(shù)及工作環(huán)境。第三章auv的動(dòng)力學(xué)分析本章為研究機(jī)器人總體的運(yùn)動(dòng)分別建立了地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系，定義了各運(yùn)動(dòng)參 數(shù)。對(duì)海底機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，給出了其各方向的受到的合力及力矩方程，并給出了其 軌跡方程，由于部分參數(shù)需經(jīng)過海試得出，故此只給出計(jì)算公式。第四章auv動(dòng)態(tài)仿真本章是本文的重點(diǎn)，主要是從兩個(gè)方面對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，一方面是基于 adams/matlab進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，建立控制模型，另一方面則是利用fluent對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行 流體仿真，分析不同轉(zhuǎn)速時(shí)葉片所受到的壓力情況以及所產(chǎn)生的推力變化。第五章總結(jié)第35頁2 auv總體

16、設(shè)計(jì)和三維建模水下機(jī)器人是一種具有人的一部分或大部分功能，能夠在海洋環(huán)境下代替人進(jìn)行某 種作業(yè)的自動(dòng)控制裝置。通常是依靠電纜提供的動(dòng)力（有纜水下機(jī)器人）或自身攜帶的能 源（無纜水下機(jī)器人）驅(qū)動(dòng)載體上裝有的推進(jìn)器在水下作三維運(yùn)動(dòng)，并可裝設(shè)照明、攝像、 聲納等觀測(cè)設(shè)備，多種傳感器及用來完成某種作業(yè)的機(jī)械手和作業(yè)工具。由于海洋開發(fā)所需從事的項(xiàng)目內(nèi)容非常多，實(shí)施的作業(yè)也極富多樣性，因此，水下 機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成、形體、總體布置都不盡相同。雖然有許多國家都在研制和生產(chǎn)水下 機(jī)器人，但每種水下機(jī)器人都沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此，目前還沒有一個(gè)完善的設(shè)計(jì)準(zhǔn) 則。但在水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面己有一些成功的經(jīng)驗(yàn)，可供設(shè)計(jì)水

17、下機(jī)器人結(jié)構(gòu)時(shí)作參考。水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的因素很多，主要包括以下幾個(gè)方面:水下機(jī)器人 形體的選擇、耐壓殼體的設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的布置、水密接插件、重心和浮心的計(jì)算和整體 平衡的考慮。2.1 形體的選擇auv外形設(shè)計(jì)是auv總體綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分，并直接關(guān)系到auv的諸多 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。auv外形設(shè)計(jì)技術(shù)是研究開發(fā)新型auv的必不可少的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。 水下機(jī)器人根據(jù)使用目的和技術(shù)要求的不同，其外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式都有很大差異。一 般情況下，形體的選擇要考慮以下原則和要求：（1）阻力小、航行性能好；（2）足夠的強(qiáng)度;（3）便于總體布置；（4）良好的工藝性。2. 2設(shè)計(jì)內(nèi)容本文所研究的水下

18、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置來源于5個(gè)推進(jìn)器，推進(jìn)器是由24v、400w的直 流電機(jī)帶動(dòng)，由控制系統(tǒng)對(duì)五個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整以控制機(jī)器人的上升、下潛、旋轉(zhuǎn) 等功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整。高壓艙內(nèi)安裝有探測(cè)及發(fā)射裝置，控制系統(tǒng)等設(shè)備。本課題所設(shè)計(jì)的對(duì)象包括兩個(gè)高壓艙、五個(gè)推進(jìn)器、兩個(gè)聲納（一個(gè)大聲納、一個(gè) 小聲納）以及起支撐作用的框架。該auv在海水中航行時(shí)為中性，即重力與浮力相等且主體的軸線呈水平，海底機(jī)器 人航行到達(dá)預(yù)定水域后，推進(jìn)器停止工作，在完成工作任務(wù)后，乂通過推進(jìn)器的作用完 成返程。3. 3三維建模三維建模的基礎(chǔ)就是二維圖紙的設(shè)計(jì)，三維建模成功與否在很大程度上決定于零件 和裝配的設(shè)計(jì)精度，所以在完

19、成設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)該在滿足強(qiáng)度要求的前提下，根據(jù)裝配 關(guān)系進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。完成整體分析后，先由autocad完成了設(shè)計(jì)的裝配圖、零件圖，確定各部分尺寸、 然后開始用solidworks建模。所設(shè)計(jì)的三維圖主要包括：（1）高壓艙（如圖2. 1）主要由高壓艙蓋、艙體、高壓球艙蓋三部分組成，共有2個(gè)，每個(gè)高壓艙由兩個(gè)卡 箍固定于框架之上。材料選用6063合金，該材料主要合金元素是鎂和硅，具有極佳的 加工性能，優(yōu)良的可焊性、電鍍性，良好的抗腐蝕性、韌性，陽極氧化效果優(yōu)良。圖2. 1高壓艙（2）框架（如圖2.2）支撐作用，上面固定有高壓艙、推進(jìn)器、聲納等，是由35x2的鋼管焊接而成， 上面有8處配焊，作用是

20、固定卡箍。框架要先進(jìn)行密封性試驗(yàn)，在海底工作時(shí)，鋼管 內(nèi)部充滿氮?dú)猓窒糠趾Ｋ畨毫?，防止其在海底工作時(shí)發(fā)生變形。圖2. 2 auv框架(3)推進(jìn)器推進(jìn)器作為整個(gè)auv動(dòng)力來源，共有兩種，一種是水平推進(jìn)器，共兩個(gè)，另一種是 豎直推進(jìn)器，共三個(gè)，通過推進(jìn)器固定架將其固定于框架之上，各個(gè)推進(jìn)器獨(dú)立工作， 相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)auv姿態(tài)的控制。推進(jìn)器上固定有導(dǎo)流罩，主要作用就是在運(yùn)動(dòng)中 對(duì)迎面而來的海水阻力進(jìn)行分割化解，從而達(dá)到降低阻力的效果。(4)聲納聲納主要是利用水中聲波對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和通信的電子設(shè)備，是水聲學(xué) 中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。它是該海底機(jī)器人主要的探測(cè)裝備，包括大小聲納

21、 各一個(gè)，分別安裝在auv前端的上下部位。所設(shè)計(jì)的三維模型如圖2. 3所示：圖2. 3 auv總裝圖一一大聲納；一一框架；一一豎直推進(jìn)器；一一高壓艙；小聲納；一一卡箍；一一水平推進(jìn)器此auv重208kg，總排水量206l,長1500mm,寬1240mm,高920mm,工作深度為 800m,壓強(qiáng)約為8mp,溫度約為2,正常工作時(shí)的速度2m/s,主要用于深海探測(cè)。3 auv的動(dòng)力學(xué)分析對(duì)5自由度auv的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究，應(yīng)該考慮重力、浮力、推力以及水 動(dòng)力的影響，建立水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人的復(fù)雜水下動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行描述。研究水動(dòng)力的意義：一是從操縱性的角度研究水下機(jī)器人載體的穩(wěn)定性

22、和快速型， 另一方面在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需要考慮水動(dòng)力的影響，以便建立auv的數(shù)學(xué)模型。3. 1坐標(biāo)系為便于研究auv的運(yùn)動(dòng)、數(shù)學(xué)建模與控制，需建立兩個(gè)正交坐標(biāo)系。先建立地面坐 標(biāo)系e- & n c作為靜坐標(biāo)系，e為海平面一點(diǎn)，以海平面出發(fā)點(diǎn)為原點(diǎn)，e&、en為 水平面如圖3. 1所示：圖3.1靜坐標(biāo)系、動(dòng)坐標(biāo)系另外為了便于分析auv還要建立載體坐標(biāo)系即動(dòng)坐標(biāo)系，它與海底機(jī)器人固定在一 起，gx與其軸向一致，gy指向右舷方向，如圖3.1所示。本課題所研究的對(duì)象在海底的運(yùn)動(dòng)是5自由度的空間運(yùn)動(dòng)，包括沿x、z軸的平動(dòng) 和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，由5個(gè)推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)。4. 2定義運(yùn)動(dòng)參數(shù)v,一一機(jī)器人重心g

23、的空間速度矢量v在水平面內(nèi)的投影；v”一機(jī)器人重心g的空間速度矢量丫在縱垂直面內(nèi)的投影;u、v一一s在水平面內(nèi)沿gx、gy方向的分量；u、wv在gx、gz方向的分量；p、q r沿gx、gy、gz軸的角速度；6橫傾角，gy軸和en軸間的夾角；0縱傾角，gx軸和e&軸在縱垂直面的夾角；力筋向角，gx軸和e己軸在水平面的夾角。3.3受力分析為了設(shè)計(jì)auv的控制系統(tǒng)，首先需要建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。在水下運(yùn)動(dòng)的機(jī)器 人系統(tǒng)是一個(gè)非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，需要確定的參數(shù)較多。由于技術(shù)和測(cè)試條件的限制, 有些參數(shù)無法準(zhǔn)確測(cè)定或者無法測(cè)定。為了控制的需要，有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化, 而只考慮對(duì)系統(tǒng)性能起主要作用

24、的影響因素，這里主要考慮重力、浮力、推力和水動(dòng)力 對(duì)機(jī)器人的影響。1 . auv在水中所受的合外力可用下式表示：f = f + 6 +尸 + 之7；戶1 （注：該方程為矢量方程，為矢量和）（3t）其中：入一作用在auv上的水動(dòng)力；6auv的浮力；尸一auv的重力；nyj.鵬一所有推進(jìn)器推力之和；一第i個(gè)推進(jìn)器的推力；n一推力器的總數(shù)，該處為5。auv所受的合外力矩方程：i=l （注：方程為矢量方程）（3-2）n廣、s 尸、分別為水動(dòng)力、浮力、重力以及推進(jìn)器推力所產(chǎn)生的力矩。2 .力學(xué)分析(1)推力：t = prrd4kt(3-3)n轉(zhuǎn)速 rad i sd螺旋槳直徑(113mm)kt一一推力系數(shù)

25、(經(jīng)驗(yàn)值)p一一海水密度(1030kg/)(2)軸向力方程：? u- vr + wq -4年 + /) + % ( pi - r 卜 zg (=5 pl x/ + x;,/ + x+ ；4x/+x：+x：/q(3-4)+1p七x/ + x： +tx-(p-b)sin0等號(hào)左邊描述了水下機(jī)器人合力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，右邊第一項(xiàng)和第三項(xiàng)分別是角 速度和速度引起的非線性水動(dòng)力，第二項(xiàng)是慣性水動(dòng)力，第四項(xiàng)是推力，第五項(xiàng)是重力 和浮力。(3)側(cè)向力方程：m v- wp + w % (/ +2)+ 乙.(qr-p + xg (qp + r )=；pc ()，.+%/ |/?l + yq)+?/、，+心與+k

26、*,p+kw)2 v.(3-5)+；(”+%即+%產(chǎn) + m)w)+1 pl3 (口/ + 丫即 + y中卜 + m)!)+ /+g pl3y,vw+(p- b) cos 0 sm (4)垂向力方程：ni w-uq + vp-zg(p2 +cf)+xs rp - q + yg rq+p1 .= atmii 必。 必8j7v- t帙8 *01 1mi j3q 乂%011 u-jj4. 2.7葉片靜壓等高線分布圖4. 2.8速度矢量分布圖通過圖像可以看出葉片的前后面有明顯的壓差，這也是推進(jìn)器推力的來源，也可以 看出在葉片的邊緣速度比較大，葉片的連接處壓力較大在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)降低其使用壽 命，也容易造

27、成損壞，從而會(huì)對(duì)整個(gè)auv的定位等產(chǎn)生影響，加大定位誤差，也會(huì)在一 定程度上造成測(cè)量結(jié)果的精度降低。(2)下面分別將轉(zhuǎn)速設(shè)為400rpm, 500rpm, 600rpm, 800rpm和looorpm,對(duì)比其 阻力系數(shù)及葉片前后面靜壓、速度、質(zhì)量流量的變化(靜壓和速度矢量變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速 為300rpm時(shí)類似，這里不再給出圖像，只給出關(guān)鍵值，如表4. 2. 1所示。圖4. 2. 9給 出了轉(zhuǎn)速和推力之間的關(guān)系曲線，可以直觀的看出二者的關(guān)系。表4. 2.1阻力系數(shù)、流體速度、靜壓對(duì)比葉片轉(zhuǎn)速(rpm)3004005006008001000阻力系數(shù)c-0. 150. 20. 250. 10. 751

28、葉片 流體 速度 (m/s )min9. 993e-32.419e-24.484e-23. 422e-23.115e21. 184e-lmax4. 2015. 6867. 1748. 65911.74815. 138質(zhì)量 流量 (kg/s)inlet-7. 381-12. 203-17. 178-27. 148-39.227-62. 727outlet7. 37912. 20117. 17427. 19339. 22562.736net-2e-3-2. 348e-3-4.387e-3-1. 846e-32.155e3-9.789e-3葉片 靜壓 (pa)ypqian-1. 587e+3-2.

29、603e+3-3.952e+3-4. 627e+3-7.320e+3-9.695e+3yephou9. 250e+21. 474e+32.164e+32. 107e+32.705e+31. 897e+3p2512.154077611667341002511592推力(n)ps113. 589184.346276.541304. 485453. 290524. 144由表4. 2.1可以從質(zhì)量流量的結(jié)果看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，質(zhì)量流量損失不斷增加, 但在誤差允許范圍以內(nèi)，總體而言，所建計(jì)算域是符合質(zhì)量守恒定律的；根據(jù)阻力和推 力值，可以明顯地看出，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，阻力系數(shù)不斷增大，這意味著阻力

30、不斷 增大；同時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體各處的速度大小不一，造成海水壓強(qiáng)的變化，葉片前后 面間產(chǎn)生壓差，利用壓差推進(jìn)器得以向前運(yùn)動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉片前后面之間的壓 差不斷增加，這就導(dǎo)致了推力的增加。當(dāng)auv在海底運(yùn)動(dòng)時(shí)，因推力的作用向前加速運(yùn) 動(dòng)，同時(shí)由于海水具有一定的粘性而產(chǎn)生阻力，速度越大阻力也越大，最后達(dá)到平衡。5總結(jié)從運(yùn)動(dòng)控制的角度出發(fā)，對(duì)auv進(jìn)行了力學(xué)研究和水動(dòng)力分析，綜合考慮其所受的 重力、浮力等，在三維模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用adams/matlab_simulink進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真， 對(duì)單個(gè)推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究與分析，通過仿真曲線較好地說明了所建立的控制系統(tǒng) 的正確性。通過fluen

31、t對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行流體仿真，得到了葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)周圍流體的壓力變化情況, 對(duì)轉(zhuǎn)速為 300rpln、400rpm、500rpm、600rpm、800rpm 和 looorpm 時(shí),分別進(jìn)行討論, 并對(duì)葉片前后面的壓力進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算了不同轉(zhuǎn)速時(shí)的推力情況，繪制了推力與轉(zhuǎn)速關(guān) 系曲線，直觀的看出推力變化趨勢(shì)。此外，根據(jù)推進(jìn)器所受到的阻力變化圖像，可以較 為清晰的理解阻力變化趨勢(shì)，以上研究結(jié)果對(duì)研究auv的水下控制和推力分配具有較大 的參考價(jià)值。同時(shí)鑒于本人水平有限，對(duì)部分環(huán)境進(jìn)行了理想化分析，部分結(jié)果跟具體 的海試結(jié)果可能會(huì)存在一定的偏差。參考文獻(xiàn)1 溫秉權(quán).小型潛水域水下自航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究天津大

32、學(xué)，博士論文，2005年6月：第4至5頁.2 任福君,張嵐,王殿君,孟慶鑫.水下機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000年04期：第105-112頁.3 張禹，劉開周，邢志偉，封錫盛.自治水下機(jī)器人實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)開發(fā)研究.計(jì)算機(jī)仿真，2001 年4月，第21卷第4期：第223-229頁.4 陳曉波，熊光楞，柴旭東.仿真在亞雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及面臨的挑戰(zhàn).系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2002 年8月，第14卷第8期：第345-351頁.5 余德海，宋保維，李家旺.基于虛擬環(huán)境的auv外形動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007年8 月，第19卷第15期：第3460-3467頁.6 郝艷仲.水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性研究.浙江大學(xué)碩士論文