基于微分几何理论的水下航行器动力学研究

发布时间：2017-07-16 00:06

  本文关键词：基于微分几何理论的水下航行器动力学研究

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【摘要】：水下航行器作为一种新型的水下勘测平台，在军事和民用领域有着巨大的发展前景。在水下航行器动力学分析中往往将航行器与其周围的流体介质视做一个机械系统。航行器在运动过程中通过与流体介质相互作用，完成相应的动作。由于水下航行器周围的流体介质存在阻尼，两者相互作用机理比较复杂，航行器与周围流体介质组成一个非线性、强耦合的机械系统。 本文在课题组以往研究的基础上，从能量的观点出发，通过引入微分几何方法对水下航行器进行建模分析，得到水下航行器基于微分几何理论的动力学模型。以课题组研发的混合驱动水下滑翔器和矢量推进式水下自主航行器为分析对象，通过对具体的航行器系统进行研究，代入到动力学模型中，进行水下航行器空间六自由度运动学、动力学数值仿真分析。通过将仿真分析结果和湖试、海试试验对比，验证动力学模型的正确性，为后续研究基于微分几何理论的控制系统提供动力学模型。 本文的主要研究成果如下： 1.针对水下航行器在流体介质中运动的特点，从能量的角度出发，，推导出通用的水下航行器动力学方程。水下航行器作为一种特殊的机械系统，由其质量矩阵引入黎曼度量，对水下航行器的动力学模型进行几何推导，得到水下航行器基于微分几何理论的动力学模型。 2.通过对混合驱动水下滑翔机PETREL-II系统分析，得到其简化系统模型，将简化系统模型受力情况代入到动力学模型中，进行仿真分析。仿真结果与试验数据对比，验证了模型的正确性。 3.通过对矢量推进式水下自主航行器系统分析，得到该系统的简化模型，将该系统受力情况带入到动力学模型中，进行仿真分析。仿真结果与试验数据对比，验证了模型的正确性。
【关键词】：水下航行器 动力学建模 微分几何 数值仿真
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.3;U674.941
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 无人水下航行器的研究发展状况10-19
• 1.2.1 水下自主式航行器发展状况10-15
• 1.2.2 水下滑翔器发展状况15-18
• 1.2.3 微分几何理论在水下航行器的研究状况18-19
• 1.3 研究目的与意义19
• 1.4 本文研究的主要内容19-21
• 第二章 水下航行器动力学建模21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 水下航行器系统描述21-27
• 2.2.1 坐标系统描述21-23
• 2.2.2 坐标系统变量定义23-24
• 2.2.3 水下航行器坐标系统转换关系24-27
• 2.3 水下航行器动力学模型建立27-34
• 2.3.1 空间自由刚体运动学和动力学表达28-29
• 2.3.2 水下航行器运动学和动力学表达29-31
• 2.3.3 水下航行器动力学表达31-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 混合驱动水下滑翔器动力学特性分析35-52
• 3.1 引言35
• 3.2 混合驱动水下滑翔器系统模型分析35-38
• 3.2.1 混合驱动水下滑翔器系统构成与布局35-37
• 3.2.2 混合驱动水下滑翔器系统抽象模型37-38
• 3.2.3 混合驱动水下滑翔器系统简化38
• 3.3 混合驱动水下滑翔器动力学模型建立38-44
• 3.3.1 混合驱动水下滑翔器受力分析38-44
• 3.4 混合驱动水下滑翔器运动分析44-51
• 3.4.1 混合驱动水下滑翔器铅垂面运动分析44-48
• 3.4.2 混合驱动水下滑翔器空间运动分析48-51
• 3.5 本章小结51-52
• 第四章 矢量推进水下自主航行器动力学特性分析52-63
• 4.1 引言52
• 4.2 矢量推进式水下自主航行器系统模型分析52-55
• 4.2.1 矢量推进式水下自主航行器系统构成与布局53-54
• 4.2.2 矢量推进式水下自主航行器系统模型简化54-55
• 4.3 矢量推进式水下自主航行器动力学模型建立55-59
• 4.3.1 矢量推进式水下自主航行器受力分析55-59
• 4.4 矢量推进式水下自主航行器运动分析59-62
• 4.4.1 矢量推进式水下自主航行器铅垂面运动分析59-61
• 4.4.2 矢量推进式水下自主航行器水平面运动分析61
• 4.4.3 矢量推进式水下自主航行器空间运动分析61-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 水下航行器湖试和海试研究63-71
• 5.1 引言63
• 5.2 混合驱动水下滑翔器湖试和海试研究63-67
• 5.2.1 混合驱动水下滑翔器剖面滑翔运动试验研究64-66
• 5.2.2 混合驱动水下滑翔器定深航行运动试验研究66-67
• 5.3 矢量推进式水下自主航行器海试研究67-70
• 5.3.1 矢量推进式水下自主航行器渤海海试研究68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 结论与展望71-72
• 6.1 全文结论71
• 6.2 工作展望71-72
• 参考文献72-76
• 发表论文和参加科研情况说明76-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：546294