浅海型复合驱动水下滑翔器运动学分析与模拟仿真

发布时间：2017-05-29 04:04

  本文关键词：浅海型复合驱动水下滑翔器运动学分析与模拟仿真，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为一种新型的,兼具了水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)和水下滑行器(Autonomous Underwater Glider,简称AUG)技术优点的无人自治水下机器人,浅海型复合驱动水下滑翔器能够在大尺度范围内对广阔海域进行长时间的连续实时观测,同时也能在特定海域内对具体目标点实施精细搜索。大尺度长时间的海洋观测要求浅海型复合驱动水下滑翔器具有尽可能低的水动综合阻力以提高能量利用效率延长能源供给时间;特定海域的精细勘测则要求该滑翔器具备满足任务要求的机动性能和一定的航速。特殊的多任务要求决定了浅海型复合驱动水下滑翔器不仅能通过浮力驱动方式完成长时间的低速剖面滑翔运动,也能够启用螺旋桨推进方式完成定深搜索和快速机动任务。为了能够预测该滑翔器在上述两种工作模式下的运动性能,本文首先根据现有的“Sun Glider200”浅海型水下滑翔器建立了其专属完整的动力学模型,并利用MATLAB数学工具搭建的数学模型完成了该滑翔器在不同工作模式下的典型运动性能仿真计算。然后,鉴于该滑翔器在大部分时间内的运动属于匀速稳态运动,为了更加有针对性的分析动作控制结构对滑翔器稳态运动的影响,基于稳态运动假设,同时利用Lab VIEW 3D picture模块和Solid Works软件联合搭建虚拟三维动态仿真平台,在输出响应曲线的基础上利用虚拟视觉技术直观形象的展示滑翔器随输入控制参数变化而发生的运动改变,帮助工程人员更好的理解浅海混合动力自主水下滑翔器的运动模式从而能够持续完善系统性能。最后,经过水池试验、湖域实验和海域实验的实际测试,验证了模拟仿真计算的正确性。
【关键词】：浅海型复合驱动水下滑翔器 动力学建模 运动性能仿真 LabVIEW 3D
【学位授予单位】：国家海洋技术中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-17
• 1.1 引言8
• 1.2 国内外发展现状8-12
• 1.2.1 国外水下滑翔器综述8-10
• 1.2.2 我国水下滑翔器现状10-12
• 1.3 研究内容及实际应用价值12-15
• 1.3.1 温跃层、近浅海观测特点与观测需求12-14
• 1.3.2 水下滑翔器动力学研究现状14-15
• 1.4 研究目标与创新点15-17
• 第二章 浅海型复合驱动水下滑翔器功能与结构17-29
• 2.1 浅海型复合驱动水下滑翔器使用领域与基本布局17-20
• 2.1.1 设计功能要求与工作流程17-19
• 2.1.2 设计方案与系统结构布局19-20
• 2.2 浅海型复合驱动水下滑翔器主要结构单元20-26
• 2.2.1 总体外形20
• 2.2.2 耐压壳体20-22
• 2.2.3 浮力驱动单元22-24
• 2.2.4 俯仰调节单元24-25
• 2.2.5 螺旋桨推进单元25-26
• 2.3 浅海型复合驱动水下滑翔器整体压力综合测试装置26-27
• 2.4 综述27-29
• 第三章 浅海型复合驱动水下滑翔器动力学模型研究29-47
• 3.1 运动学模型的建立29-34
• 3.1.1 坐标系与矢量定义29-33
• 3.1.2 运动方程组及其简化33-34
• 3.2 外力及外力矩分析34-42
• 3.2.1 粘性流体力及力矩34-39
• 3.2.2 流体惯性力及惯性力矩39-40
• 3.2.3 螺旋桨推力40
• 3.2.4 总重力、总浮力及稳定力矩，控制浮力及力矩，俯仰控制力矩40-42
• 3.2.5 滑翔器总外力和力矩42
• 3.3 动力学模型建立42-47
• 3.3.1 动量定理42-43
• 3.3.2 角动量定理43-47
• 第四章 浅海型复合驱动水下滑翔器运动仿真分析47-61
• 4.1 动力方程参数确定及典型运动模拟47-56
• 4.1.1 方程物理参数确定与水动力系数选取47-49
• 4.1.2 数值求解流程与滑翔器典型运动仿真49-56
• 4.2 浅海型复合驱动水下滑翔器稳态运动操纵性能分析56-59
• 4.3 滑翔器稳态运动综述59-61
• 第五章 基于LABVIEW的浅海型复合驱动水下滑翔器虚拟仿真研究61-71
• 5.1 水下滑翔器SOLIDWORKS装配体嵌入LABVIEW 3D PICTURE61-62
• 5.2 仿真系统应用界面与功能62-65
• 5.3 基于MATHSCRIPT节点的稳态动力学方程虚拟仿真65-71
• 第六章 实验室测试及海域实验71-79
• 6.1 引言71
• 6.2 水池试验和水动力参数获取及验证71-72
• 6.3 开阔水域测试72-79
• 6.3.1 湖域实验72-74
• 6.3.2 海域实验74-79
• 第七章 设计总结与前景展望79-81
• 参考文献81-84
• 发表论文和参加科研情况说明84-85
• 致谢8

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