混合驱动的水下无人航行器总体设计与性能研究

发布时间：2020-09-19 08:52

　　 混合驱动无人水下自主航行器是目前世界上一类新型的无人水下自主机器人,该类型航行器结合了水下滑翔机和水下自主航行器的优点。可以采用水下滑翔模式运动,完成大航程、长时序的观测需求,也可切换为推进模式运动,完成对特定区域的探索任务。针对中国海洋发展战略,国内需要多款不同类型的无人水下自主航行器来建立三维、立体化的海洋观测网络。本文以国家预研基金项目为基础,针对我国海洋发展战略,开发了一款新型混合驱动的无人水下自主航行器。该航行器外形采用仿生鳐鱼设计,具有大翼展的特征,既拥有飞翼式水下滑翔机高升阻比、稳定性高和搭载能力强的优点,也有普通水下滑翔机灵活性高和操纵性好的优点,是一类新型无人水下自主航行器。不同于一般无人水下自主航行器在尾部装有推进器,该航行器还在水翼下方对称搭载有推进器,可大大提高在水中的操纵性与回转性,并可在水中完成水平推进运动、空间绕圆运动和空间螺旋运动,还可以突破目前国际海域内,普通水下机器人无法突破的中尺度漩涡。本论文,在充分调研国内外水下机器人的研究概况情况下,采用模块化设计与CFD数值计算相结合的设计方法进行了该航行器的总体设计与内部各系统单元设计。并在总体设计的基础上完成了该航行器的水动力特性分析和航行器与螺旋桨的耦合运动分析。最后,经过两者的循环迭代完成了该航行器的设计目标并进行了相关设备的选型,为控制系统的搭建和真机的组装提供了研究基础,进而验证本文设计方法的正确性和CFD数值计算方法的有效性。本文主要研究成果和创新点为:本文创新性的提出了一种新型的混合驱动无人水下自主航行器的设计方法,并设计出了一种新型混合驱动无人水下自主航行器。该航行器最大工作深度水下1000m,最大推进航速1.5kn,最大续航力300km。采用模块化设计、三维实体建模和CFD数值模拟相结合的设计方法,完成了航行器的外形设计、耐压壳体设计、浮力调节系统设计、姿态调节系统设计、控制系统、推进系统和抛载系统的设计。并基于静力学计算完成了各系统之间的优化与整体模型的装配。基于该航行器的总体设计,进行了航行器的受力分析,采用了CFD的数值模拟方法,完成了航行器的水动力性能计算、最优攻角计算和螺旋桨的敞水性能预报。以动力学为基础建立了航行器空间六自由度运动数学模型,采用CFD数值模拟方法,以动网格、滑移网格和多计算域的技术完成了航行器的本体与螺旋桨耦合的动力学性能计算研究。计算出了航行器在推进模式下和滑翔模式下的运动特性。本文将模块化设计方法、三维实体建模与CFD数值仿真相结合,最终完成了大翼展混合驱动无人水下自主航行器的创新性设计,并模拟了实际工程中的运动情况,在此基础上完成了航行器设备的选型,为航行器控制系统的搭建与调试、真机的制造与组装提供重要指导。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.941
【部分图文】：

图 1.1 水下机器人分类图Fig.1.1 Underwater vehicle classification1.2 研究现状1.2.1 国外水下滑翔机研究现状1989 美国海洋学家 Henry Stommel 第一次提出 AUG 的概念[4]。目前，市场上成熟的 AUG 产品主要有：美国 Teledyne Webb 公司的电能 Slocum Glider[5]、美国 IRobot 公司的 Spray Glider[6]、美国 Bluefin Robotics 公司的 Sea Glider[7]及法国 ACSA 公司的 Sea Explorer Glider。如图 1.2 所示为四种典型 AUG 图。

（c）Sea Glider （d）Sea Explorer Glider图 1.2 四种典型 AUGFig.1.2 Four representative AUGs1995 年 WHIO 的 Doug Webb 以 SLOCUM 为基础制作出了温差能水下滑翔机，并进行了总航程 3000km，75 个航次试验，充分验证了温差能水下滑翔机工程应用的可行性和稳定性[8]。日本大阪府立大学（Osaka Prefecture University）根据海洋上面积广阔，太阳能丰富的特点，研制了一款太阳能水下滑翔机 SORA[9]。该款水下滑翔机是在水翼上装有太阳能电池板用来充电，充电时浮在水面，工作时潜入水下，电量消耗完后，再次浮出水面充电。考虑到，海洋中波浪能丰富的特点，波浪能水下滑翔机（Wave Glider）也被越来越多国家研究[10]。Wave Glider 由 2 部分组成，浮在水面的浮体和水下的波浪板。水面浮体内装有传感器与数据采集设备，水下的波浪板可将波浪能转化为动能带动波浪能滑翔机前进。该能量转化装置可大大提高续航力。为了可以调查更深海域的情况，美国 APL 实验室在 2002 年研发了一种能潜

4（e）Discus （f）X-RAY图 1.3 各种类型 AUGFig.1.3 Various types of underwater gliders1.2.2 国外自主水下航行器研究现状AUV 是一种水下无人高智能化的新型水下机器人。一般外形采用回转体设计，用于特殊工作的 AUV 外形采用开架式设计。AUV 主要由主体框架、推进系统、控制系统、数据采集系统与作业系统组成。AUV 的应用领域主要集中在军事与民用领域。由于 AUV 造价过高、技术较新，早期是在军事领域中得到了广

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本文编号：2822301