混合驱动水下滑翔机系统设计与运动行为研究

发布时间：2017-09-08 09:51

  本文关键词：混合驱动水下滑翔机系统设计与运动行为研究

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【摘要】：混合驱动水下滑翔机是一类新型水下潜器,实现了传统水下滑翔机和无人水下航行器驱动方式的集成,满足了人类未来对海洋监测任务多样化的需求。混合驱动水下滑翔机具有滑翔工作模式和AUV推进工作模式。在滑翔工作模式下,混合驱动水下滑翔机可依靠浮力调节单元和姿态调节单元实现“锯齿形”剖面运动,具有能耗低、工作时间长、航程远、噪音低等特点;而在AUV推进工作模式下,航行器可以通过螺旋桨单元和转向机构完成快速、精确的航迹跟踪运动。本文依托国家科技项目,面向我国深远海域环境监测需求,设计和研制了混合驱动水下滑翔机工程样机,Petrel II。论文重点研究了样机总体设计方案和单元设计方案,建立了航行器动力学模型,并依据该模型进行了航行器在参数确定和不确定条件下的运动特性研究,得到了其运动性能参数的取值范围和变化特性。最后,水域性能试验结果表明样机实现了预期功能和设计指标,进而也验证了本文设计方法的正确性和理论模型的有效性。本文主要研究成果和创新点为:本文提出了融合传统AUG和AUV驱动特点的混合驱动水下滑翔机设计方法,并应用于我国首台大深度混合驱动水下滑翔机工程样机的研制。此样机最大工作深度1500 m,最大水平滑翔速度0.5 m/s,最大推进航速1.5 m/s,具备全球定位及通讯功能。运用动量和动量矩定理构建了混合驱动水下滑翔机空间六自由度运动数学模型。此模型同时考虑了浮力调节单元、螺旋桨推进单元、俯仰调节机构和横滚调节机构等运动部件的控制作用,并对航行器受到的流体动力做了合理简化,能够准确地描述混合驱动水下滑翔机运动行为。基于运动数学模型,推导了航行器在铅垂平面和水平面内的运动方程及主要运动参数的表达式,量化分析了设计参数与运动性能参数间的关系,仿真得到了航行器稳态平面运动时主要运动参数的取值范围,并优化设计了关键运动参数。同时,根据混合驱动水下滑翔机研制流程及运动特点,提出了新的性能测试方案和规范,为系统的功能验证和指标考核提供了重要的指导,也为其它海洋监测设备的试验与测试提供了参考。本文将工程实际中的不确定性问题引入到混合驱动水下滑翔机的动力学行为研究中,分析了航行器不确定参数的存在形式,以确定条件下的动力学模型为基础,结合概率统计方法建立了航行器参数不确定动力学模型,并使用蒙特卡洛方法量化了不确定参数与运动性能参数之间的关系。研究工作为混合驱动滑翔机系统设计完善提供了重要指导。
【关键词】：混合驱动水下滑翔机 动力学模型 运动特性 不确定性 水域性能试验
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-15
• 字母注释表15-18
• 英文简写对照表18-19
• 第一章 绪论19-39
• 1.1 引言19
• 1.2 研究背景19-22
• 1.3 研究现状22-37
• 1.3.1 水下滑翔机研究现状22-28
• 1.3.2 自主水下航行器发展状况28-32
• 1.3.3 混合驱动水下滑翔机发展状况32-35
• 1.3.4 水下潜器动力学行为研究状况35-37
• 1.4 本课题的来源及意义37
• 1.5 本文主要研究内容37-39
• 第二章 混合驱动水下滑翔机系统设计39-63
• 2.1 引言39
• 2.2 设计目标与工作流程39-41
• 2.2.1 设计目标与功能要求39-40
• 2.2.2 工作流程40-41
• 2.3 系统总体方案设计41-43
• 2.3.1 设计方案41-42
• 2.3.2 系统结构布局与单元组成42-43
• 2.4 混合驱动水下滑翔机主要功能单元设计与计算43-61
• 2.4.1 水动力外形设计43-47
• 2.4.2 耐压主体设计47-51
• 2.4.3 浮力调节单元设计与计算51-54
• 2.4.4 姿态调节单元设计54-56
• 2.4.5 螺旋桨推进单元设计56-58
• 2.4.6 控制系统设计58-61
• 2.5 本章小结61-63
• 第三章 混合驱动水下滑翔机动力学建模与仿真63-91
• 3.1 引言63
• 3.2 坐标系统描述63-69
• 3.2.1 坐标系选择与变量定义63-65
• 3.2.2 坐标系变换矩阵65-69
• 3.3 混合驱动水下滑翔机运动学方程69-70
• 3.3.1 运动速度方程69
• 3.3.2 运动角速度方程69-70
• 3.4 混合驱动水下滑翔机动力学方程70-82
• 3.4.1 混合驱动水下滑翔机模型描述70-72
• 3.4.2 混合驱动水下滑翔机受力分析72-78
• 3.4.3 混合驱动水下滑翔机动力学方程推导78-80
• 3.4.4 混合驱动水下滑翔机动力学方程一般表达80-82
• 3.5 混合驱动水下滑翔机动力学数值仿真82-89
• 3.5.1 运动模型参数赋值82-84
• 3.5.2 运动数值仿真84-89
• 3.6 本章小结89-91
• 第四章 混合驱动水下滑翔机运动特性研究91-107
• 4.1 引言91
• 4.2 航行器纵向运动特性91-100
• 4.2.1 纵向运动方程91-93
• 4.2.2 稳态纵向运动特性分析93-100
• 4.3 航行器横向-横滚运动特性100-106
• 4.3.1 横向-横滚运动方程100-101
• 4.3.2 横向-横滚运动特性分析101-106
• 4.4 本章小结106-107
• 第五章 混合驱动水下滑翔机参数不确定性行为研究107-127
• 5.1 引言107
• 5.2 不确定性问题描述107-112
• 5.2.1 航行器动力学模型中的不确定性因素108
• 5.2.2 不确定因素数学描述108-112
• 5.3 航行器参数不确定性动力学建模112-114
• 5.3.1 航行器参数不确定动力学方程112-113
• 5.3.2 航行器参数不确动力学行为分析方法113-114
• 5.4 运动数值仿真分析114-126
• 5.4.1 滑翔模式下“锯齿形”剖面运动114-119
• 5.4.2 AUV推进模式下水面直航运动119-123
• 5.4.3 AUV推进模式下定深运动123-126
• 5.5 本章小结126-127
• 第六章 混合驱动水下滑翔机试验研究127-153
• 6.1 引言127
• 6.2 混合驱动水下滑翔机主要单元性能试验127-131
• 6.2.1 耐压主体水静压力性能试验127-129
• 6.2.2 浮力调节单元性能试验129-131
• 6.3 混合驱动水下滑翔机整机性能试验131-151
• 6.3.1 混合驱动水下滑翔机湖域性能试验131-141
• 6.3.2 混合驱动水下滑翔机海域性能试验141-151
• 6.4 本章小结151-153
• 第七章 全文总结与展望153-155
• 7.1 全文总结153-154
• 7.2 工作展望154-155
• 参考文献155-163
• 发表论文和参加科研情况说明163-165
• 致谢165-166

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本文编号：813345