可著陸水下自航行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)行為研究.pdf

1、作為有效的水下測量傳感器搭載平臺(tái)，水下自航行器(Autonomous underwater vehicle或AUV)在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域和海洋資源開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈加廣闊。但由于攜帶的能源有限，水下自航行器難以完成長期的海洋測量任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測以獲得長時(shí)序海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了可著陸水下自航行器。該自航行器具有水下著陸坐底功能，可以執(zhí)行長時(shí)間大航程的水下測量任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)著陸坐底功能，航行器外形結(jié)構(gòu)采用主體與多個(gè)附體相組合方式。

2、與傳統(tǒng)的流線型細(xì)長體水下自航行器相比，其外形與附體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。為了在設(shè)計(jì)階段分析可著陸水下自航行器動(dòng)力學(xué)行為，首先需要建立其動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)所開發(fā)的可著陸水下自航行器，本文著重探討具有復(fù)雜附體結(jié)構(gòu)的水下自航行器的動(dòng)力學(xué)行為與系統(tǒng)仿真，建立可著陸水下自航行器多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其著陸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。最后，通過約束模型試驗(yàn)和一系列的水域航行試驗(yàn)，完整地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，并且試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了本文分析和仿真的正確性。

3、 本文的主要研究成果為： 1.設(shè)計(jì)了可著陸水下自航行器原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了航行、著陸坐底、測量、上浮通信等功能。該水下自航行器的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：(1)在航行階段，將測量傳感器復(fù)用為多普勒計(jì)程儀，可有效地節(jié)約成本；(2)設(shè)計(jì)了壓載機(jī)構(gòu)和熔斷拋載機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可著陸水下自航行器變浮力功能。 2.將多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論方法引入水下自航行器建模過程，建立基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的水下自航行器動(dòng)力學(xué)模型。為了減少計(jì)算量，采用基于低序體組的

4、多體系統(tǒng)矢量建模方法推導(dǎo)了可著陸水下自航行器的空間運(yùn)動(dòng)方程組。該模型主要優(yōu)點(diǎn)在于其方便性和精確性。首先，此模型中各體的物理和幾何參數(shù)可單獨(dú)估算和修改，避免了具有復(fù)雜附體結(jié)構(gòu)的AUV整體水動(dòng)力參數(shù)估算困難的問題，便于AUV的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)具有良好的適用性和通用性；其次，由于該模型詳細(xì)描述了各體的物理和幾何參數(shù)，能夠獲得良好的仿真精度。 3.基于水下自航行器多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)可著陸水下自航行器縱向運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)的操縱性進(jìn)行了分

5、析。通過仿真和分析得出三個(gè)結(jié)論。(1)可著陸水下自航行器壓載水艙位于主體側(cè)下方時(shí)航行器具有更高的穩(wěn)定性；(2)橫向運(yùn)動(dòng)操縱面布局要服從于縱向運(yùn)動(dòng)操縱面布局；(3)操縱面位置和尺寸優(yōu)化結(jié)果表明，可著陸水下自航行器的操縱面最佳位置為距離浮心1.3米處。 4.通過研究水下自航行器的著陸運(yùn)動(dòng)，提出采用四階段著陸軌跡實(shí)現(xiàn)水下自航行器的著陸任務(wù)，并計(jì)算出了該軌跡的幾何參數(shù)。該著陸軌跡充分考慮了可著陸水下自航行器的工作環(huán)境的具體要求，比如過載