自主型捕捞水下机器人设计及其动力学仿真

发布时间：2020-11-01 02:37

　　 中国海产品养殖数量多且种类丰富,将水下机器人技术应用于海产品的捕捞是经济可行的方式。目前海参均采用人工采收,效率较低。针对该现状,本文设计了一种应用于海参捕捞的机器人。用自治水下机器人为载体,在此基础上,进行满足海参捕捞要求的结构设计,实现海参采收的自动化作业。该机器从结构上可以分为采集机构、分拣机构与收集机构,并利用ANSYS Workbench仿真软件对该机器的耐压舱进行了水下静力学的仿真与厚度的优化,在满足工作要求的前提下,减小了壳体厚度,降低了成本,同时也减少了机器整体负重。对水下机器人建立了两种坐标系,固定坐标系E-(?)和运动坐标系O-xyz,利用葛特勒方程建立机器六自由度的运动学方程,分析其运动情况。根据实际作业环境对捕捞机器人的受力情况进行分析,估算出了惯性类和粘性类水动力系数。基于运动方程和各项系数,建立了垂直面和水平面的运动模型,利用PID控制器,给定合适的KP、Kl和KD数值,对艏向角、纵倾角和深度的运动姿态进行稳定性分析。最后简要分析了水下环境对机器定位的影响,对图像进行滤波处理、图像模糊增强和边缘轮廓检测,使机器精确定位,以不同的运动姿态,实现对不同区域的海参捕捞。海参分布在养殖基地的各个区域,需要采用遍历式的路径规划完成捕捞。首先建立栅格地图模拟水下真实环境,利用A*算法完成避障功能。比较了内螺旋算法与田埂式算法在路径规划时的能量消耗,以及遇到障碍物时的航行轨迹,选择了内螺旋算法进行全局路径规划。最后将内螺旋算法与A*算法结合,使机器在遇到障碍物时,寻找到可以工作的最近区域,完成障碍物存在时水下全局路径规划。由于水下运动的复杂性、非线性与流固耦合效应,基于ANSYS FLUENT对水下机器人进行了流体动力学的分析。建立流体包围域模拟水下环境,选择了湍流模型,经过CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真,模拟了该水下机器人在水下捕捞作业时的运动,得到了不同运动速度下的阻力系数,速度分布图和压力云图,便于分析水下机器人的水下运动情况。本文完成了该自主型水下海参捕捞机器人的设计与动力学仿真,实现了海参捕捞自动化,提高了捕捞效率,具有较大的实际应用意义。
【学位单位】：哈尔滨商业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U674.941;TP242
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 捕捞水下机器的关键技术
    1.4 捕捞水下机器人的发展趋势
    1.5 论文的主要工作内容
2 海参捕捞水下机器人总体设计
    2.1 捕捞水下机器人结构设计
        2.1.1 捕捞水下机器人外形结构的设计
        2.1.2 捕捞装置设计
        2.1.3 分拣装置设计
    2.2 基于ANSYS的耐压壳体强度分析
    2.3 基于目标驱动优化的耐压壳体优化设计
    2.4 本章小结
3 捕捞机器人稳定性分析与水下环境对海参定位的影响
    3.1 捕捞水下机器人的运动方程
        3.1.1 坐标系的建立
        3.1.2 运动方程的建立
    3.2 捕捞水下机器人受力分析及水动力系数的计算
        3.2.1 捕捞水下机器人运动时的受力分析
        3.2.2 粘性类水动力与惯性类水动力系数的计算
    3.3 捕捞机器人运动姿态的稳定性分析
        3.3.1 平面运动控制方程
        3.3.2 PID控制模型的建立
        3.3.3 捕捞机器人运动姿态的PID仿真
    3.4 水下环境对海参定位的影响
        3.4.1 水下海参图像滤波处理
        3.4.2 水下海参图像模糊增强
        3.4.3 数字图像中海参的轮廓提取
    3.5 本章小结
4 捕捞水下机器人避障设计与全局路径规划
    4.1 创建海参捕捞环境的栅格地图
*算法的实时避障功能的实现'>    4.2 基于A^*算法的实时避障功能的实现
        4.2.1 水下机器人避障算法研究概述
*搜索算法的捕捞水下机器人避障设计'>        4.2.2 基于A^*搜索算法的捕捞水下机器人避障设计
    4.3 海参捕捞水下机器人遍历式路径规划
        4.3.1 田埂式全局路径规划的实现
        4.3.2 内螺旋式全局路径规划
    4.4 捕捞水下机器人遍历式算法的优化
    4.5 本章小结
5 捕捞水下机器人流体动力学仿真
    5.1 计算流体动力学基础
    5.2 基于FLUENT软件对捕捞水下机器人的CFD仿真
        5.2.1 流体域的建立及网格的划分
        5.2.2 边界条件参数的设置
        5.2.3 CFD前处理设置
    5.3 捕捞水下机器人流体动力学仿真结果
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读学位期间发表的学术论文
致谢

【参考文献】

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本文编号：2864901