微小型水下机器人运动仿真研究

论文摘要

近年来,随着海洋研究与开发的不断发展,水下机器人在军事和科学研究等方面的应用日益引起广泛的重视。微小型水下机器人以体积小,阻力小,隐身性能好,机动灵活,成本低,方便搭载等特点以及良好的应用前景而成为当前研究的热点。研究水下机器人的水动力性能和操纵性能,建立运动仿真系统具有十分重要的意义。运动仿真平台的建立不仅有助于对水下机器人的运动性能进行综合评估,也可以为控制系统设计和调试提供平台,减少水池试验和外场试验的次数,节约成本。本文以某微小型水下机器人为研究对象,首先建立空间六自由度运动的动力学方程,对求解运动方程所需的各项力进行分析。其次,通过带附体模型水动力试验及相关推算得到所需的艇体水动力系数,应用面元法计算了微小型水下机器人艇体的惯性类水动力,并将计算结果与实验结果进行了比较验证:基于解有升力问题的面元法计算得到微小型水下机器人舵翼的水动力性能和螺旋桨的推力和扭矩性能曲线。最后,建立运动仿真平台,分析微小型水下机器人运动性能,并给出各种典型运动的仿真曲线,对操纵性能进行预报。并且针对所研究对象的特点,将艇体水动力表达式进行简化,将应用简化水动力模型的仿真结果与简化前进行对比,验证了简化模型的可行性和正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 微小型水下机器人发展现状
• 1.3 运动仿真技术
• 1.4 论文研究目的，意义和主要研究内容
• 1.4.1 目的和意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第2章 微小型水下机器人运动建模
• 2.1 微小型水下机器人主要参数
• 2.2 水下机器人动力学建模
• 2.2.1 坐标系建立
• 2.2.2 空间六自由度运动方程建立
• 2.3 本章小结
• 第3章 艇体水动力试验研究
• 3.1 试验目的、试验装置和模型
• 3.2 模型水动力试验
• 3.2.1 纵向阻力试验
• 3.2.2 斜航试验
• 3.2.3 纯升沉试验
• 3.2.4 纯横荡试验
• 3.2.5 纯俯仰试验
• 3.2.6 纯摇首试验
• 3.3 若干非线性水动力系数的推算
• 3.4 艇体水动力系数汇总
• 3.5 本章小结
• 第4章 水下机器人相关水动力性能理论计算
• 4.1 艇体附加质量计算
• 4.1.1 理论基础
• 4.1.2 水下机器人网格划分
• 4.1.3 计算结果及分析
• 4.2 微小型水下机器人舵翼性能计算
• 4.2.1 解有升力问题的面元法及计算验证
• 4.2.2 微小型水下机器人舵翼尺寸及网格划分
• 4.2.3 计算结果
• 4.3 螺旋桨性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 运动性能分析与仿真
• 5.1 运动稳定性分析
• 5.1.1 水平面运动稳定性分析
• 5.1.2 垂直面运动稳定性分析
• 5.2 运动仿真及操纵性预报
• 5.2.1 运动仿真器建立
• 5.2.2 仿真结果及分析
• 5.3 艇体水动力表达式的简化
• 5.4 运动仿真的视景显示
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢