水下機器人畢業(yè)論文

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1、目錄 1 緒論 . 1 1.1 研究意義 1 1.2 AUV介紹 2 1.3國內(nèi)外AUV研究動態(tài) 2 1.4 動態(tài)仿真研究現(xiàn)狀 3 1.5 本文主要研究內(nèi)容 4 2 AUV總體設(shè)計和三維建模 6 2.1 形體的選擇 6 2.2 設(shè)計內(nèi)容 6 2.3 三維建模 7 3 AUV的動力學(xué)分析 10 3.1 坐標(biāo)系 10 3.2 定義運動參數(shù) 10 3.3 受力分析 11 4 推進器動態(tài)仿真 16 4.1 ADAM仿真 16 4.2 FLUENT仿真 20 4.2.1 理論基礎(chǔ) 20 4.2.2 仿真前期準(zhǔn)備 21 4.2.3 F

2、LUENT 數(shù)值模擬計算 23 5 總結(jié) 29 參考文獻 30 致謝 31 附圖 32 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)境三大難題。隨著各國經(jīng)濟的飛速發(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。 海洋是一個巨大的資源寶庫，開發(fā)藍色國土，拓展生存和發(fā)展空間， “人類重返海 洋”將成為全球經(jīng)濟發(fā)展的大趨勢。世界沿海國家和地區(qū)正在進入全面開發(fā)利用海洋的 新時期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韓、印度以及東盟諸國等 140多個國家相 繼制定海洋科技發(fā)

3、展和海洋開發(fā)計劃， 采取具體措施加快搶占海洋科技的制高點， 海洋 開發(fā)已成為全球產(chǎn)業(yè)進步的重要標(biāo)志，海洋經(jīng)濟已成為全球經(jīng)濟發(fā)展的重要增長點。海 洋是強國之本。誰掌握了海洋，誰就掌握了經(jīng)濟發(fā)展的未來。沒有強大的海洋科技事業(yè)， 沒有強大的現(xiàn)代海洋經(jīng)濟，就不可能成為真正的經(jīng)濟強國。我國是海洋大國， 但不是強 國，人均占有陸地面積和資源量都遠遠低于世界平均水平， 研究開發(fā)利用海洋是順應(yīng)世 界海洋開發(fā)大潮。為了推動海洋經(jīng)濟持續(xù)快速的發(fā)展， 科技部、國家計委、國家海洋局、 農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推出了 “科技興?！庇媱??！吨袊Ｑ?1世紀(jì)議程》把“科教興?！弊鳛楹?洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大意義的戰(zhàn)略選擇。 海洋經(jīng)濟

4、的開放性和帶動性，強滲透力、寬 輻射，可以拓展新的經(jīng)濟增長空間，優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)，建立開放型特色經(jīng)濟，促進我國更 快走向世界，對實現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興具有重要政治經(jīng)濟意義。 21世紀(jì)是人類向海洋進軍的世紀(jì)。深海作為人類尚未開發(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爭的焦點之一。 水下機器 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。 然而水下機器人如果直接進行海試或湖試， 則需要承擔(dān)極大地風(fēng)險，由此計算機仿 真應(yīng)運而生。仿真系統(tǒng)提供一種有效的試驗來檢驗系統(tǒng)和設(shè)計，這種試驗可以為設(shè)計者、 使用者和購買者揭示和預(yù)測一

5、些有價值的信息。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)可以模擬各種場景，用于各種操作訓(xùn)練，節(jié)約實地訓(xùn)練的費用， 最大限度地降低訓(xùn)練風(fēng)險。通過 ADAMS/MATLAB立仿真模型，可以實現(xiàn)對其控制路徑 的模擬，降低試驗風(fēng)險。在海底工作的動力來源就是推進器，所以通過對推進器的流體 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， 對于AUV的運動控制的 精確性具有極大的指導(dǎo)意義。 1.2 AUV介紹 當(dāng)前水下機器人的種類很多，其中載人潛器、有纜潛器 （ROVs）和自治水下機器人 （AUVs）是三類最重要的潛器，自治水下機器人AUVs是英語“自治水下潛器” （A

6、utonomous Un derwater Vehicles）的縮寫。 AUVs不配備主纜和系纜，因此它又稱為無人無纜水下機器人（Unmann edU ntethered Vechiles縮寫UUVs。這類水下機器人攜帶能源，依靠自身的自治能力來管理自己、控 制自己，以完成賦予它的使命，自治水下機器人也就因此得名。由于微電子技術(shù)、計算 機技術(shù)、人工智能技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)的飛速進展，再加上海洋工程和軍事活動的需要，國 外產(chǎn)業(yè)界和軍方再次對無纜水下機器人發(fā)生了興趣。許多研究表明，無纜水下機器人是 一種非常適合于海底搜索、調(diào)查、識別和打撈作業(yè)的既經(jīng)濟又安全的工具。與載人潛水 器相比較，它具有安全（無人

7、）、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、尺寸小、造價低等優(yōu)點。而與 ROVs 相比，它具有活動范圍大、潛水深度深、不怕電纜纏繞、可進入復(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[1][11]。 1.3國內(nèi)外AUV研究動態(tài) 海洋機器人在過去幾十年間為世界各國的海軍、石油開發(fā)和救援打撈開辟了嶄新的 活動領(lǐng)域。用這種高度計算機化、有的已開始了不需要人進行控制的機器人進行探索海 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。這些機器人的造價與載

8、人潛水器相比， 造 價低得多，但更加安全，而且可長時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 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。 AUV 的最新應(yīng)用主要體現(xiàn)在水雷搜索，冰下探測以及水下作業(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

9、系統(tǒng)(AUSS和新罕布什爾州大學(xué)的小型AUV即試驗性 的自主式EAVEEAST主要用于水下管道和平臺的檢查。 美國AUV的研究和開發(fā)經(jīng)費90%來自國防部的財政支持，主要通過國防高技術(shù)研究 項目局(DARPA和海軍有關(guān)部門給予撥款。早在1988年，國防高技術(shù)研究項目局提出了 開發(fā)既像無人潛水器UUV那樣自由浮游，又像登陸艇那樣能離開水域進入內(nèi)陸的兩棲性 自主式機器人。美國海軍控制和海洋監(jiān)測中心于 1983年推出了先進的自主式無人搜索 系統(tǒng)(AUSS)，本系統(tǒng)的外形尺寸為510cmK 75cm,有效負(fù)荷不定。系統(tǒng)用銀鋅電池作為 動力源，系統(tǒng)配置了側(cè)掃聲納、前視聲納、35mm靜物照相機、CCD水

10、下攝像機。導(dǎo)航系 統(tǒng)由多普勒聲納、先進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)。現(xiàn)在 AUSS為第二代先進的作業(yè)型自主式海底機器人，潛航 深度6000m用于評價深海海底搜索技術(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，投入了較大的人力和財力，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 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。自主式無纜海底機器人是國家 863高 技術(shù)發(fā)展計劃支持項目，由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、聲學(xué)研究所、 中國船舶工業(yè) 總公

11、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)計研制的“探索者”號自 主式無纜海底機器人，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。 其試驗平臺“智水II號”于1995年夏進行了湖試，在自主導(dǎo)航、自主避障和自主簡單 作業(yè)等方面取得了成功的試驗驗證和寶貴的試驗數(shù)據(jù)。 此外，北京航空航天大學(xué)目前正致力于仿生機器魚的研究， 已研制出多種形式的仿 生機器魚，為水下航行器新型推進器技術(shù)和新型結(jié)構(gòu)的研究，奠定了良好的基礎(chǔ) [2]。 1.4動態(tài)仿真研究現(xiàn)狀 機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析技術(shù)首

12、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。Woongsan命以提高汽車的穩(wěn)定性和控制能力為目標(biāo)， 進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，測得的數(shù)據(jù)很不可靠。后來隨著分析手段的提高，動力學(xué)仿真分析技術(shù)開始大 量地應(yīng)用于空間科學(xué)、石油、機器人等領(lǐng)域， NOEL通過在動力學(xué)分析軟件中建立、分 析和優(yōu)化模型，得到了飛機起落架的動態(tài)性能。Arenz等針對goliath移動機器人模型， 利用ADAMBANSY別MATLA三者聯(lián)合進行了動力學(xué)分析，并針對goliath移動機器人 控制算法進行研究，然后在動力學(xué)仿真軟件

13、中加以檢驗。 隨著水下機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷的擴展，水下機器人正朝著復(fù)雜化、多功能化方向 發(fā)展。AUV正是一個由多個系統(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)、推進系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng) ⑻。這不僅增加了 AUV各系統(tǒng)之間集成的難度，也使得 AUV整體性能驗證和評價成為一件困難的事情。由 于AUV勺復(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證之前，對AUV進行海上實驗是有很大的危險性。另一方面, 由于海洋環(huán)境復(fù)雜、危險，在海上進行水下實驗，除了沒有安全性之外，還有實驗成本 高，周期長的缺點。

14、因此，AUV整體性能驗證和評價已經(jīng)成為 AUV發(fā)展的瓶頸，而建立 AUV實時仿真系統(tǒng)是解決這個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)時間、跟蹤精度等）[4][12]。 1.5本文主要研究內(nèi)容 借鑒國內(nèi)外較為先進的AUV采用母型設(shè)計法，對其外形和部分機構(gòu)進行改進，使 其在達到總體性能要求的同時，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)計之后，在ADAM中進行仿真分析，建立簡單的控制系統(tǒng)，然后在利用流 體仿真軟

15、件FLUENT寸推進器進行流體分析，計算不同轉(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勺研究現(xiàn)狀與趨勢以及現(xiàn)階段對動態(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)計和三維建模 本章主要是論述了 AUV的總體設(shè)計及形體選擇原則，根據(jù)二維圖紙進行三維建模， 對主要零件進行功能分析，并簡要闡述了所研究對象的主要參數(shù)及工作環(huán)境。 第三章AUV的動力學(xué)分析 本章為研究機器人總體的運動分別建立了地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系， 定義了各運動參 數(shù)。對海底機器人的運

16、動過程，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，故此只給出計算公式。 第四章AUV動態(tài)仿真 本章是本文的重點，主要是從兩個方面對推進器進行動態(tài)仿真，一方面是基于 ADAMS/MATLAB行動態(tài)仿真，建立控制模型，另一方面則是利用 FLUENT寸推進器進行 流體仿真，分析不同轉(zhuǎn)速時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) 2 AUV總體設(shè)計和三維建模 水下機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)境下代替人進行某 種作業(yè)的自動控制裝置。通常是依靠電纜提供的動力(有纜水下機器人)或自身攜帶的能 源(無纜水下機器人)驅(qū)

17、動載體上裝有的推進器在水下作三維運動， 并可裝設(shè)照明、攝像、 聲納等觀測設(shè)備，多種傳感器及用來完成某種作業(yè)的機械手和作業(yè)工具。 由于海洋開發(fā)所需從事的項目內(nèi)容非常多， 實施的作業(yè)也極富多樣性，因此，水下 機器人的系統(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 機器人，但每種水下機器人都沒有進行批量生產(chǎn)，因此，目前還沒有一個完善的設(shè)計準(zhǔn) 則。但在水下機器人結(jié)構(gòu)方面己有一些成功的經(jīng)驗， 可供設(shè)計水下機器人結(jié)構(gòu)時作參考。 水下機器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計所涉及的因素很多，主要包括以下幾個方面 ：水下機器人 形體的選擇、耐壓殼體的設(shè)計、推進器的布置、水密接插件、重心和浮心的計算和整

18、體 平衡的考慮。 2.1形體的選擇 AUV外形設(shè)計是AUV總體綜合優(yōu)化設(shè)計的重要組成部分，并直接關(guān)系到 AUV勺諸多 戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。AUV外形設(shè)計技術(shù)是研究開發(fā)新型 AUV勺必不可少的一項基礎(chǔ)技術(shù)［5］。 水下機器人根據(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⑹： (1) 阻力小、航行性能好； (2) 足夠的強度； (3) 便于總體布置； (4) 良好的工藝性。 2.2設(shè)計內(nèi)容 本文所研究的水下機器人驅(qū)動裝置來源于 5個推進器，推進器是由24V、400W的直 流電機帶動，由控制系統(tǒng)對五個推進器進行轉(zhuǎn)速調(diào)整以控制

19、機器人的上升、 下潛、旋轉(zhuǎn) 等功能，實現(xiàn)機器人的姿態(tài)調(diào)整。高壓艙內(nèi)安裝有探測及發(fā)射裝置，控制系統(tǒng)等設(shè)備。 本課題所設(shè)計的對象包括兩個高壓艙、五個推進器、兩個聲納(一個大聲納、一個 小聲納）以及起支撐作用的框架 該AUV在海水中航行時為中性，即重力與浮力相等且主體的軸線呈水平， 海底機器 人航行到達預(yù)定水域后，推進器停止工作，在完成工作任務(wù)后，又通過推進器的作用完 成返程。 2.3三維建模 三維建模的基礎(chǔ)就是二維圖紙的設(shè)計，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)計精度，所以在完成設(shè)計工作時，應(yīng)該在滿足強度要求的前提下，根據(jù)裝配 關(guān)系進行零件設(shè)計。 完成整體分析后，先由A

20、utoCAD完成了設(shè)計的裝配圖、零件圖，確定各部分尺寸， 然后開始用SolidWorks建模。 所設(shè)計的三維圖主要包括： （1）高壓艙（如圖2.1） 主要由咼壓艙蓋、艙體、咼壓球艙蓋三部分組成，共有 2個，每個咼壓艙由兩個卡 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、推進器、聲納等，是由 35X 2的鋼管焊接而成, 上面有8處配焊，作用是固定卡箍?？蚣芤冗M行密封性試驗，在海底工作時，鋼管

21、內(nèi)部充滿氮氣，抵消部分海水壓力，防止其在海底工作時發(fā)生變形。 圖22 AUV框架 (3) 推進器 推進器作為整個AUV動力來源，共有兩種，一種是水平推進器，共兩個，另一種是 豎直推進器，共三個，通過推進器固定架將其固定于框架之上，各個推進器獨立工作， 相互協(xié)作實現(xiàn)對整個AUV姿態(tài)的控制。推進器上固定有導(dǎo)流罩，主要作用就是在運動中 對迎面而來的海水阻力進行分割化解，從而達到降低阻力的效果。 (4) 聲納 聲納主要是利用水中聲波對水下目標(biāo)進行探測、 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。 它是該海底機器人主要的探測裝備，包括大小聲納 各一個，分別安裝在A

22、UV前端的上下部位。 所設(shè)計的三維模型如圖2.3所示： 圖2.3 AUV總裝圖 ①——大聲納；②——框架；③——豎直推進器；④——高壓艙；⑤——小聲納； ⑥一一卡箍；⑦一一水平推進器 此AUV重 208kg，總排水量206L,長1500mm寬1240mm高920mm工作深度為 800m壓強約為8MP溫度約為2C,正常工作時的速度2m/s，主要用于深海探測。 3 AUV的動力學(xué)分析 對5自由度AUV勺動力學(xué)與運動控制進行研究，應(yīng)該考慮重力、 浮力、推力以及水 動力的影響，建立水下機器人的動力學(xué)模型，對機器人的復(fù)雜水下動力學(xué)行為進行描述。 研究水動力的意義：一是從操縱性的角度

23、研究水下機器人載體的穩(wěn)定性和快速型， 另一方面在設(shè)計控制系統(tǒng)時需要考慮水動力的影響，以便建立 AUV勺數(shù)學(xué)模型。 3.1坐標(biāo)系 為便于研究AUV勺運動、數(shù)學(xué)建模與控制，需建立兩個正交坐標(biāo)系。先建立地面坐 標(biāo)系E- EnZ作為靜坐標(biāo)系，E為海平面一點，以海平面出發(fā)點為原點， EE、En為 水平面如圖3.1所示： 起，Gx與其軸向一致，Gy指向右舷方向，如圖3.1所示。 本課題所研究的對象在海底的運動是 5自由度的空間運動，包括沿x、z軸的平動 和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動，由5個推進器來實現(xiàn)。 3.2定義運動參數(shù) V ——機器人重心G的空間速度矢量V在水平面內(nèi)的投影； V ――機器

24、人重心G的空間速度矢量V在縱垂直面內(nèi)的投影； u、v V在水平面內(nèi)沿Gx Gy方向的分量； u、w V在Gx、Gz方向的分量； p、q、r 沿Gx Gy、Gz軸的角速度； ? 橫傾角，Gy軸和En軸間的夾角； 9——縱傾角，Gx軸和EE軸在縱垂直面的夾角; 書——艏向角，Gx軸和EE軸在水平面的夾角。 3.3受力分析 為了設(shè)計AUV的控制系統(tǒng)，首先需要建立機器人的動力學(xué)模型。 在水下運動的機器 人系統(tǒng)是一個非線性的動力學(xué)系統(tǒng)，需要確定的參數(shù)較多。由于技術(shù)和測試條件的限制， 有些參數(shù)無法準(zhǔn)確測定或者無法測定。為了控制的需要，有必要對系統(tǒng)進行必要的簡化， 而只考慮對系統(tǒng)性能起主要作用

25、的影響因素， 這里主要考慮重力、浮力、推力和水動力 對機器人的影響。 1.AUV在水中所受的合外力可用下式表示： n F Ff B P Ti i 1 （注：該方程為矢量方程，為矢量和） （3-1 ） 其中：Ff —作用在AUV上的水動力； B — AUV的 浮力； P — AUV的 重力； n Ti i1 —所有推進器推力之和； 斤一第i個推進器的推力； n—推力器的總數(shù)，該處為n=5。 AUV所受的合外力矩方程： n M M F M B MP MTi i 1 （注：方程為矢量方程） （3-2 ） n Mf、Mb、Mp、i /T'分別為水動力、浮力、重力以

26、及推進器推力所產(chǎn)生的力矩。 2.力學(xué)分析 (1) 推力：T n2D 垂向力方程： KT (3-3) n 轉(zhuǎn)速 rad / s D 螺旋槳直徑(113mm Kt——推力系數(shù)(經(jīng)驗值) ——海水密度(1030 kg/m3) (2) 軸向力方程： 2 2 m u vr wq Xg q r yg pq r Zg pr q 1 2 L4 2 2 X qq q X rr r Xrprp 1 L3 X. u Xvrvr Xwqwq (3-4) 2 u 1 2 L2 2 2 XuuU Xvvv XwwW2

27、 Tx P B sin 等號左邊描述了水下機器人合力作用下的運動規(guī)律，右邊第一項和第三項分別是角 速度和速度引起的非線性水動力， 第二項是慣性水動力，第四項是推力，第五項是重力 和浮力。 (3) 側(cè)向力方程： 2 2 m v wp ur yg r p Zg qr p Xg qp r 1 L4(Y'r Y' p Yp|p|P p YpqPq Y^qr) 2 r p 1 3 '.' -L3(Y v Yvqvq YwpWP Yw「wr) 2 v M 4 1 ( 3-5) -L3(Yur Ypup &打 v2 w2 2 |r) 1 1 -L2(Yu2 乂uv

28、Yv|vV v2 w2 2) Ty 1 2 ' L Y

29、(5) 搖力矩方程、縱力矩方程、偏航力矩方程 I XX p (Ixx Iyy)qr m Yg (w vp uq) Zg (v ur wp) L5 K- r K. p Kp|p|P p r p Kpq pq Kq「qr 1 2 1 2 L4 L4 K. v Kpup Krur v KVqVq Kwpwp Kwrwr (3-7) L3 '2 K*u Kvuv K^v L3K；wVw phcos sin MTx lyyq (I xx I zz)rp m Zg (u wp vr) Xg(w vp uq) L5 K. r K' p Kpp|

30、P p p Kpq pq Kqrqr L4 Mv,r MvpVp M quq M |w p (3-8) 2 2 2 (v w )2 q L3 M*u2 1 |wu w MwwW v2 w" M 2 L3 MTy M wuw Mw|w|W ph sin Izz (Iyy I xx)

31、 pq m Xg(v ur wp) yg(u wq vr) 1 2 1 2 L5 L4 N. r N. v v N. p Nr|r|r r p Npq pq Nq「qr NvqVq NwpWP Nwrwr (3-9) L4 Nrur Npup v2 w2 L3 N*u2 N；uv N^v v2 w2 L3NYwVW MTz 式中TxTy Tz為推力在坐標(biāo)軸 y、z上的投影；Mtx MTy Mtz為x、y、z軸的推力 矩。 （

32、6）根據(jù)運動學(xué)知識可以將水下機器人姿態(tài)角與運動坐標(biāo)系中角速度的關(guān)系可以 表示為: p qtg sin rtg cos （3-10） qcos r si n （3-11） (qsin r cos )/cos （3-12） 水下機器人重心與動坐標(biāo)系原點重合，水下機器人的運動軌跡 o ucos cos v(cos sin sin sin cos ) w(cos sin sin sin sin ) o usin cos v(sin sin sin cos cos ) w(sin sin cos cos sin ) usin vcos sin wcos cos

33、(3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (8) 有海流（海流速度為U （ Ux Uy Uz ））時則水下機器人相對于海流的速度為: Vrx = u-ux VRy=v-uy Vrz=W-uz 若考慮海流作用時，用相對海流的速度代替前面公式中的速度即可。 本章為研究機器人總體的運動分別建立了地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系， 定義了各運動參 數(shù)。對海底機器人的運動過程，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，由于部分水動力參數(shù)需經(jīng)過海試或湖試才可以得出，故此只給出計算公式。 4推進器動態(tài)仿真 AUV按使命要求在水下平穩(wěn)地航行是其完成

34、各種任務(wù)的基礎(chǔ)， 要想保證機器人平穩(wěn) 地航行，選擇正確的控制方法是至關(guān)重要的。盡管現(xiàn)在有許多控制方法可以實現(xiàn)對潛器 的航行控制，但對于實際應(yīng)用來說，在滿足項目要求的情況下，應(yīng)選取既可行又實用的 本文在完成AUV勺三維設(shè)計后，用動態(tài)仿真軟件ADAM對單個推進器進行動態(tài)仿真, 建立正確的控制系統(tǒng)。然后再利用 FLUENT對單個推進器進行仿真，實現(xiàn)對螺旋槳葉片 轉(zhuǎn)速與推力的分析。 推進器模型如圖4.1所示： 圖4.1推進器模型 4.1 ADAMS仿真 仿真的基本思路主要是針對單個推進器進行仿真， 驗證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在ADAMS 中建立底層控制： AUV勺底層控制 AUV勺

35、控制系統(tǒng)包括底層控制和高層控制，高層控制是由計算機軟件來完成，底層 控制主要由硬件組成，包括執(zhí)行機構(gòu)和傳感器，這部分是其基礎(chǔ)。 水下機器人的底層控制主要包括[13]: (1) 水下機器人的航行控制； (2) 作業(yè)工具控制； (3) 傳感器控制和信號控制。 本文主要完成第一個問題即航行控制。其主要參數(shù)是深度、高度、航行速度、航向 角和位置等，為了簡化計算和便于仿真，本課題將采用典型的PID調(diào)節(jié)器作為閉環(huán)系統(tǒng) 的控制器進行深度控制。該AUV采用推進器作為動力和控制部件。 1. 推進器布置如圖: T1 2. 自動定深回路 圖體現(xiàn)了定深回路的控制框圖: Di

36、 9 Do 圖4.1.2深度控制框圖 圖中Do為深度輸出，Di為深度輸入 典型的PID調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制方程： pl Kd 評 Do) (4-1 ) t Myc Kp(Di Do) Ki(Di Do)d 0 Kp Ki Kd為調(diào)節(jié)器系數(shù)。 3. 對單個推進器進行單自由度仿真(沿 y向的平動) (1)施加約束：重力，螺旋槳產(chǎn)生的推力(根據(jù)推進器的運動由 ADAM自動調(diào)節(jié))， 阻力(10vv ); 輸入：推力（tl ）; 輸出：位移（weiyi ）、速度（sudu）; 推進器的設(shè)定位置：距推進器位置 3m處 （2）在MATLAB^建立PID控制 圖所示為控制圖：

37、 圖 4.1.3 MATLAB/Simulink 控制圖 時間/s 圖4.1.4位移曲線 設(shè)定 P gain=200, I gain=25 ， D gain=100。 通過ADAMS/MATLAB合仿真得到仿真曲線： （1）位移曲線（如圖） 穩(wěn)定振幅0.02m : 位 移 /m （2）速度曲線（如圖） 穩(wěn)定振幅0.3m/s : ' 1 1 1 1 速 度 m/s 1 1 時間/S 圖速度曲線圖 此控制系統(tǒng)能使推進器在允許誤差范圍內(nèi)到達預(yù)定位置，所以該 PID控制是正確 的，控制方法是實用的和

38、有效的。 為了使控制效果更為理想，可以通過改變 PID系數(shù)的 值得到。 采用單一變量法進行分析，如表: 表不同PID參數(shù)對比 第一組 P I D 位移振幅（m） 速度振幅（m/s） 200 25 200 0.02 0.35 200 25 400 0.02 0.3 第二組 200 200 200 0.036 0.58 200 100 200 0.028 0.4 第三組 400 25 200 0.025 0.55 100 25 200 0.02 0.2 最初 200 25 100 0.02 0.3 通

39、過減小微分參數(shù)可以減小位移和速度的振幅， 增加比例環(huán)節(jié)可以適當(dāng)?shù)臏p小到達 預(yù)定位置的位移，但通過曲線可以看出影響不是非常明顯， 所以通過比較選定PID的參 數(shù)分別為100、25、200，生成的仿真曲線速度振幅 0.2m/s,位移振幅0.02m。 4.2 FLUENT 仿真 對單個推進器進行FLUENTS真，主要是研究其葉片在給定轉(zhuǎn)速時葉片上的壓力分 布、葉片表面的速度矢量分布以及分析葉片在旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的阻力等，對進一步研究 AUV勺海底控制有一定的指導(dǎo)意義。 理論基礎(chǔ) 1. 流體流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量 守恒定律、能量守恒定律，如果流動

40、處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運方程 [8] 。 質(zhì)量守恒方程: u 0 t 式中P是流體密度，t是時間，U速度矢量 動量方程 du f p dt 式中 微元表面粘性應(yīng)力，p為流體微元體上的壓力 能量守恒方程： de P u q q dt 式中e表示內(nèi)能，q交換熱量 狀態(tài)方程： f(P,q,T) 0 內(nèi)能公式： e e(p,T) 傅立葉熱傳導(dǎo)公式： q K T ,式中K為導(dǎo)熱系數(shù) 2. 靜壓、動壓、總壓 1 2 p gz gH (4-2) (4-3) (4-4) (4-5) (4-6) 2 靜止的流體所具有的壓強即為靜壓強，

41、簡稱靜壓， -2是因流體運動而產(chǎn)生的壓 2 強，稱為動壓強，即動壓， gH為總壓強，即總壓［9］。 關(guān)于FLUENT中所涉及的邊界壓力說明： Pabsolute P gauge P operat ing 等號左側(cè)為絕對壓強，右側(cè)第一項為表壓強，第二項為操作壓強。本文的操作壓強 為8MP 3. k_epsilo n （2eq n）模型 標(biāo)準(zhǔn)的k_模型是最基本的二方程模型，k-湍動能，epsilon-耗散率 動力學(xué)湍流粘度定義為: k2 式中C為無量綱常數(shù)。 標(biāo)準(zhǔn)k_模型k、 的運輸方程［8］: k kUi Xj i k Gk k Xj Gb Ym S

42、k （4-7） t Xi Ui C1 G xj k C3 Gb ) C2 2 S k （4-8） t Xi Xj 其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項，Gb是由于浮力引起的湍 動能k的產(chǎn)生項，Ym代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，G C2 C3為經(jīng)驗常數(shù)，k 分 別是與湍動能k和耗散率 對應(yīng)的普朗特數(shù)，SkS是用戶定義的源項。 標(biāo)準(zhǔn)k_模型中的五個可調(diào)常數(shù)值為：C =0.09， k=1.00， =1.30，G =1.44， C2 =1.92。對于可壓流體的流動計算中與浮力有關(guān)的系數(shù) C3，當(dāng)主流方向與重力方向 平行時，取1,當(dāng)主流方向與重力方

43、向垂直時，取 0。 仿真前期準(zhǔn)備 GAMBIT前處理一一網(wǎng)格劃分 用CFD（計算流體動力學(xué) Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD方法進行流 場計算時，首先要將計算區(qū)域離散化，即劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格是 CFD模型的幾何表達形式， 也是模擬與分析的載體。計算網(wǎng)格的好壞直接影響到數(shù)值計算的可行性、 收斂性以及計 算精度。 主要過程：首先將推進器三維模型導(dǎo)入到 GAMBI沖，建立計算域，選擇FLUENT5/6 求解器進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，輸出網(wǎng)格。 1. 建立流體區(qū)域： 首先將SolidWorks生成的推進器模型導(dǎo)入GAMBIT中，根據(jù)推進器的高度和葉

44、片的 直徑建立半徑為120mm高為60mnm勺圓柱體區(qū)域，通過布爾差運算建立最終的流體區(qū) 域。 2. 網(wǎng)格劃分： 設(shè)定網(wǎng)格單元為Tet/Hybrid (網(wǎng)格主要由四面體組成，個別位置可以有六面體、 錐體或楔形體)，選擇TGrid混合網(wǎng)格類型。制定在邊界上分點時所用的間隔長度為 5, 即 Interval size=5 。 圖所示為網(wǎng)格劃分圖： 圖網(wǎng)格劃分圖(spacing=5 ) 3. 設(shè)定邊界類型 (1) 選擇FLUENT5/6求解器 (2) 指定邊界類型。葉片類型為 WALL包括葉片前面，葉片后面和端面，名稱分 別為ypqian，yphou和ypduan，輪轂的類型

45、為 WALL名稱為lungu，進口面的類型為 pressure」nlet ，名稱為in let ，出口面的類型為 pressure_outlet ，名稱為 pressure_outlet 。 423 FLUENT數(shù)值模擬計算 1. FLUENT求解步驟[10]: （1） 創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型（在 GAMBIT前處理軟件中完成）； （2） 啟動FLUENT求解器； （3） 導(dǎo)入網(wǎng)格模型； （4） 檢查網(wǎng)格模型是否存在問題； （5） 選擇求解器及運行環(huán)境； （6） 決定計算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性，是否存在多相等； （7） 設(shè)置材料特性； （8） 設(shè)置邊界條件；

46、 （9） 調(diào)整用于控制求解的有關(guān)參數(shù)； （10） 初始化流場； （11） 開始求解； （12） 顯示求解結(jié)果； （13） 保存求解結(jié)果。 2. 數(shù)值計算 數(shù)值計算是將描述物理現(xiàn)象的偏微分方程在一定的網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)離散， 用網(wǎng)格節(jié)點處 的場變量值近似描述微分方程中各項所表示的數(shù)學(xué)關(guān)系，按一定的物理定律或數(shù)學(xué)原理 構(gòu)造與微分方程相關(guān)的離散代數(shù)方程組。引入邊界條件后求解離散代數(shù)方程組，得到各 網(wǎng)格節(jié)點的場變量分布，用這一離散的場變量分布近似代替原微分方程的解析解。 （1） 計算模型 選擇分離式求解器（segregated solver ），該求解器主要順序地、逐一地求解個方 程。

47、（2） 粘性模型 選擇k_epsilon （2eqn）模型，使用標(biāo)準(zhǔn)k- ￡雙方程模型進行湍流計算，使用標(biāo) 準(zhǔn)的近壁函數(shù)。 模型參數(shù)： Cmu=0.09， C1 epsilon 1.44， C2 epsilon 1.92， TKE prandtl number=1 ，TDR prandtl number=1.3 。 (3) 工作環(huán)境 海底800n，工作壓力8MP海流靜止，溫度2C。 (4) 邊界條件設(shè)置 設(shè)定進出口流體旋轉(zhuǎn)軸為y軸，進口流體的相對壓力邊界條件為 0MP速度初始條 件為海流靜止；出口流體的初始條件與進口流體一致； 葉片壁面(包括ypqian和yphou) 為靜止壁

48、面(stational ),計算域流體設(shè)為動網(wǎng)格(movingmesh),旋轉(zhuǎn)軸為y軸。 (5) 殘差收斂條件(con verge nee criteri on) continuity : 0.001 ; x-velocity : 0.001 ; y-velocity : 0.001 ; z-velocity : 0.001 ; k: 0.001 ； epsilon : 0.001。 (6) 設(shè)置3個監(jiān)視器 mon itor-1 :監(jiān)測前葉片靜壓變化情況，報告類型為 area-weighted average ，監(jiān) 測表面為ypqian ； monitor-2 :監(jiān)測后葉片靜壓變

49、化情況，報告類型為 area-weighted average ，監(jiān) 測表面為yphou； monitor-3 :監(jiān)測進出口質(zhì)量流量平衡，報告類型(report type )為massflow rate， 檢測表面為 pressure_inlet 和 pressure_outlet 。 3. 仿真運算 (1)葉片轉(zhuǎn)速為300rpm,迭代次數(shù)iteraion=100 。 通過迭代計算可以得到： (a)殘差歷史 contin uity=1.9033e-04 ； x-velocity=9.2473e-04 ； y-velocity=9.8468e-04 ； z-velocity=

50、8.6589e-04 ； k=5.0959e-04 ； e=9.8342e-04 ； 滿足殘差收斂條件。 殘差歷史曲線如圖422所示： 圖422 殘差歷史 (b)質(zhì)量流量平衡曲線 Mass Flow Rate剛開始時急劇上升最大時到達 20kg/s左右,主要由于剛開始旋轉(zhuǎn) 時海流波動較大，經(jīng)過100次迭代后，質(zhì)量流量逐步降為-2.0131e-03kg/s，并在其附 近波動，基本保持平衡，小于設(shè)定的收斂值，即達到了預(yù)期效果。通過后處理過程可以 得到： 進口流量 pressure」nlet : 7.3810244kg/s ； 出 口流量 pressure_outlet :

51、7.379024kg/s ； 凈流量 net mass-flow : -0.0020003319kg/s。 質(zhì)量流量曲線如圖: 圖4.2.3質(zhì)量流量平衡 (C)阻力系數(shù)變化曲線 如圖424，由曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速為 300rpm時，開始時由于葉片處于靜止的 海流中，所以阻力系數(shù)Cd波動較大，后來逐步趨向于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為 Cd =0.15，阻力 系數(shù)的變化直接反映了阻力的變化，穩(wěn)定時阻力并不是很大。 圖424阻力變化曲線 （d）監(jiān)測葉片前后面靜壓變化 通過監(jiān)測葉片前后面可以得到此時前后面的靜壓情況，進而可以分析產(chǎn)生的推力 ypqian 靜壓穩(wěn)

52、定值為-1.5872e+03pa，yphou 靜壓穩(wěn)定值為 9.2495e+02pa。 Area （e）利用FLUENT-3D進行后處理 在后處理階段，可以得到靜壓等高線圖（如圖 和速度矢量圖（如圖 428，max=4.201029m/s, 4.2.7 ，max=6150pa min=-2380pa) min=0.00999315m/s)。 壓差： p=2512.15pa;推力：F ps 2512.15 3.14 0.122 113.589(N)。 靜壓變化曲線如圖425和圖426 : 427 葉片靜壓等高線分布圖 428速度矢量分布圖 通過圖像可以看出葉片

53、的前后面有明顯的壓差， 這也是推進器推力的來源，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)時會降低其使用壽 命，也容易造成損壞，從而會對整個 AUV的定位等產(chǎn)生影響，加大定位誤差，也會在一 定程度上造成測量結(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與轉(zhuǎn)速 為300rpm時類似，這里不再給出圖像，只給出關(guān)鍵值，如表 421所示。圖429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。 450 4

54、00 350 300 260 200 卜 50 * o ■r 」0D nu3 葉片推力與轉(zhuǎn)速姜系曲線 400 500 600 、 700 800 900 WOO 轉(zhuǎn) ij/rpm 圖429葉片推力與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線 表阻力系數(shù)、流體速度、靜壓對比 葉片轉(zhuǎn)速（rpm） 300 400 500 600 800 1000 阻力系數(shù)cd 0.15 0.2 0.25 0.4 0.75 1 葉片 流體 速度 （m/s） min 9.993e-3 2.419e-2 4.484e-2 3.422e-2 3.115e-2 1.

55、184e-1 max 4.201 5.686 7.174 8.659 11.748 15.138 質(zhì)量 流量 （kg/s） in let -7.381 -12.203 -17.178 -27.148 -39.227 -62.727 outlet 7.379 12.201 17.174 27.193 39.225 62.736 net -2e-3 -2.348e-3 -4.387e-3 -1.846e-3 -2.155e-3 -9.789e-3 葉片 靜壓 （pa） ypqia n -1.587e+3 -2.603e+3

56、-3.952e+3 -4.627e+3 -7.320e+3 -9.695e+3 yephou 9.250e+2 1.474e+3 2.164e+3 2.107e+3 2.705e+3 1.897e+3 p 2512.15 4077 6116 6734 10025 11592 推力 （N ps 113.589 184.346 276.541 304.485 453.290 524.144 由表421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，所建計算域是符合質(zhì)量守恒定律的；根據(jù)阻力和推

57、 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，這意味著阻力不斷 增大；同時，葉片旋轉(zhuǎn)時，流體各處的速度大小不一，造成海水壓強的變化，葉片前后 面間產(chǎn)生壓差，利用壓差推進器得以向前運動。 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在海底運動時，因推力的作用向前加速運 動，同時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，最后達到平衡。 5總結(jié) 從運動控制的角度出發(fā)，對AUV進行了力學(xué)研究和水動力分析，綜合考慮其所受的 重力、浮力等，在三維模型的基礎(chǔ)上，運用 ADAMS/MATLAB_Simulin進行運動學(xué)仿真, 對單個推進器運動

58、控制進行研究與分析，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FLUENT寸推進器進行流體仿真，得到了葉片旋轉(zhuǎn)時周圍流體的壓力變化情況， 對轉(zhuǎn)速為 300rpm 400rpm 500rpm 600rpm 800rpm 和 lOOOrpm 時，分別進行討論， 并對葉片前后面的壓力進行對比，計算了不同轉(zhuǎn)速時的推力情況，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。此外，根據(jù)推進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，以上研究結(jié)果對研究AUV勺水下控制和推力分配具有較大 的參考價值。同時鑒于本人水平有限，對部分環(huán)境進行了理想化分析，部分結(jié)果跟具體 的海試結(jié)果

59、可能會存在一定的偏差。 參考文獻 [1] 溫秉權(quán)?小型潛水域水下自航行器系統(tǒng)設(shè)計和試驗研究天津大學(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.水下機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.佳木斯大學(xué)學(xué)報（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 .自治水下機器人實時仿真系統(tǒng)開發(fā)研究 .計算機仿真，2004 年4月，第21卷第4期：第223-229頁. [4] 陳曉波，熊光楞，柴旭東.仿真在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用及面臨的挑戰(zhàn) .系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002 年8月，第14卷第8期：第345-351頁. [5] 余德海，宋

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63、計工作， 從查閱整理資料到 完成設(shè)計，整個過程鍛煉了我獨立思考問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了自己的科研能力。 在論文完成之際，向尊敬的導(dǎo)師劉貴杰教授致以最誠摯的感謝。 本文自始至終都是 在指導(dǎo)老師劉貴杰教授的悉心指導(dǎo)下完成的。在設(shè)計期間，劉老師每周都在百忙之中抽 出一定時間給予指導(dǎo)，對設(shè)計中遇到的問題給予耐心的指導(dǎo)和幫助， 令我受益匪淺。劉 老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，誨人不倦的品格，對科學(xué)的執(zhí)著追求，對事業(yè)的銳意進取，不愧 是學(xué)生的典范。 另外，本人還要向?qū)嶒炇业耐趺?、劉國營等師兄表示誠摯的感謝。在設(shè)計過程中， 他們在軟件學(xué)習(xí)等方面給予本人很大的幫助。 附圖 附圖1框架 附圖2高壓艙蓋 附圖3高壓艙體 附圖4咼壓球艙蓋 附圖5導(dǎo)流罩 附圖6導(dǎo)流罩附件 附圖7卡箍 附圖8螺旋槳固定架