太阳能水下机器人的载体研究与实现

论文摘要

自主水下机器人是一种理想的水下观测平台,在海洋环境立体监测系统中发挥着重要作用。但能源问题是限制水下机器人远航能力的主要问题。为解决这一问题,本文以沈阳市科技计划项目为课题背景,设计出一种将太阳能光伏技术应用于水下机器人—双驱动太阳能水下机器人(SAUV)。本文在分析了太阳能水下机器人工作原理的基础上,对机载太阳能光伏系统进行了设计,并建立太阳能水下机器人的运动学和动力学模型,对载体的部分结构进行了优化。通过对太阳能水下机器人水动力的分析与计算,求解出粘性类水动力系数,为太阳能水下机器人的稳定性、操纵性分析和运动预报提供了理论依据。本文通过建立太阳能电池板搭载的数学模型,计算出可利用的日照辐射能量,并考虑其他因素对太阳能电池板输出特性的影响,设计出了满足载体需求的光伏系统。由于搭载的太阳能电池板会对太阳能水下机器人的水动力特性产生影响,所以在满足设计要求的情况下,对载体的外形进行了设计。采用ANSYS软件对耐压壳体变形量进行了分析,确定了耐压壳体的厚度。并对太阳能水下机器人的主载体、水平翼及尾翼设计进行了优化。最终确立了优化后的载体水动力外形。本文采用流体动力学仿真软件CFX计算和分析了载体粘性类水动力特性,通过详细计算载体水动力,获得了可用于其操纵运动仿真的水动力系数。还通过经验公式对主载体以及附载体的附加质量和附加惯量进行估算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国外研究现状
• 1.3 国内研究现状
• 1.4 太阳能水下机器人的研究意义
• 1.5 关键技术问题
• 1.6 工作原理和主要内容
• 1.6.1 工作原理
• 1.6.2 研究的主要内容
• 第二章 太阳能水下机器人光伏系统的分析与设计
• 2.1 引言
• 2.2 太阳能光伏发电系统的数学模型
• 2.3 太阳能光伏系统的设计
• 2.3.1 太阳能电池的类型选择
• 2.3.2 机载蓄电池设计
• 2.4 本章小结
• 第三章 太阳能水下机器人的载体设计
• 3.1 引言
• 3.2 载体的结构设计
• 3.2.1 太阳能水下机器人外形结构设计
• 3.2.2 太阳能水下机器人耐压舱设计
• 3.2.3 太阳能水下机器人水平翼的优化设计
• 3.2.4 太阳能水下机器人尾翼的设计
• 3.3 载体的水动力设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 粘性类水动力计算与分析
• 4.1 引言
• 4.2 载体的坐标系定义
• 4.3 相似准则
• 4.3.1 几何相似
• 4.3.2 运动相似
• 4.4 控制方程
• 4.4.1 湍流模型
• 4.4.2 κ-ε模型
• 4.5 边界条件
• 4.6 位置力的计算
• 4.6.1 实验模型的建立
• 4.6.2 求解水动力系数
• 4.6.3 绘制实验曲线和实验结果分析
• 4.7 水平面定常回转运动的水动力分析
• 4.7.1 计算内容及方法
• 4.7.2 实验结果分析
• 4.8 本章小结
• 第五章 附加质量的测定与估算
• 5.1 引言
• 5.2 附加质量的测定
• 5.3 附加质量的估算
• 5.3.1 主载体的附加质量的估算
• 5.3.2 水平翼和尾翼的附加质量的估算
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢