混合驅(qū)動(dòng)無人水下自主航行器是目前世界上一類新型的無人水下自主機(jī)器人,該類型航行器結(jié)合了水下滑翔機(jī)和水下自主航行器的優(yōu)點(diǎn)。可以采用水下滑翔模式運(yùn)動(dòng),完成大航程、長時(shí)序的觀測需求,也可切換為推進(jìn)模式運(yùn)動(dòng),完成對特定區(qū)域的探索任務(wù)。針對中國海洋發(fā)展戰(zhàn)略,國內(nèi)需要多款不同類型的無人水下自主航行器來建立三維、立體化的海洋觀測網(wǎng)絡(luò)。本文以國家預(yù)研基金項(xiàng)目為基礎(chǔ),針對我國海洋發(fā)展戰(zhàn)略,開發(fā)了一款新型混合驅(qū)動(dòng)的無人水下自主航行器。該航行器外形采用仿生鰩魚設(shè)計(jì),具有大翼展的特征,既擁有飛翼式水下滑翔機(jī)高升阻比、穩(wěn)定性高和搭載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),也有普通水下滑翔機(jī)靈活性高和操縱性好的優(yōu)點(diǎn),是一類新型無人水下自主航行器。不同于一般無人水下自主航行器在尾部裝有推進(jìn)器,該航行器還在水翼下方對稱搭載有推進(jìn)器,可大大提高在水中的操縱性與回轉(zhuǎn)性,并可在水中完成水平推進(jìn)運(yùn)動(dòng)、空間繞圓運(yùn)動(dòng)和空間螺旋運(yùn)動(dòng),還可以突破目前國際海域內(nèi),普通水下機(jī)器人無法突破的中尺度漩渦。本論文,在充分調(diào)研國內(nèi)外水下機(jī)器人的研究概況情況下,采用模塊化設(shè)計(jì)與CFD數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了該航行器的總體設(shè)計(jì)與內(nèi)部各系統(tǒng)單元設(shè)計(jì)。并在總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成了該航行器的水動(dòng)力特性分析和航行器與螺旋槳的耦合運(yùn)動(dòng)分析。最后,經(jīng)過兩者的循環(huán)迭代完成了該航行器的設(shè)計(jì)目標(biāo)并進(jìn)行了相關(guān)設(shè)備的選型,為控制系統(tǒng)的搭建和真機(jī)的組裝提供了研究基礎(chǔ),進(jìn)而驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的正確性和CFD數(shù)值計(jì)算方法的有效性。本文主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)為:本文創(chuàng)新性的提出了一種新型的混合驅(qū)動(dòng)無人水下自主航行器的設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)出了一種新型混合驅(qū)動(dòng)無人水下自主航行器。該航行器最大工作深度水下1000m,最大推進(jìn)航速1.5kn,最大續(xù)航力300km。采用模塊化設(shè)計(jì)、三維實(shí)體建模和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法,完成了航行器的外形設(shè)計(jì)、耐壓殼體設(shè)計(jì)、浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和拋載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并基于靜力學(xué)計(jì)算完成了各系統(tǒng)之間的優(yōu)化與整體模型的裝配�；谠摵叫衅鞯目傮w設(shè)計(jì),進(jìn)行了航行器的受力分析,采用了CFD的數(shù)值模擬方法,完成了航行器的水動(dòng)力性能計(jì)算、最優(yōu)攻角計(jì)算和螺旋槳的敞水性能預(yù)報(bào)。以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)建立了航行器空間六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,采用CFD數(shù)值模擬方法,以動(dòng)網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格和多計(jì)算域的技術(shù)完成了航行器的本體與螺旋槳耦合的動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算研究。計(jì)算出了航行器在推進(jìn)模式下和滑翔模式下的運(yùn)動(dòng)特性。本文將模塊化設(shè)計(jì)方法、三維實(shí)體建模與CFD數(shù)值仿真相結(jié)合,最終完成了大翼展混合驅(qū)動(dòng)無人水下自主航行器的創(chuàng)新性設(shè)計(jì),并模擬了實(shí)際工程中的運(yùn)動(dòng)情況,在此基礎(chǔ)上完成了航行器設(shè)備的選型,為航行器控制系統(tǒng)的搭建與調(diào)試、真機(jī)的制造與組裝提供重要指導(dǎo)。
【學(xué)位單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：U674.941
【部分圖文】：

圖 1.1 水下機(jī)器人分類圖Fig.1.1 Underwater vehicle classification1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 國外水下滑翔機(jī)研究現(xiàn)狀1989 美國海洋學(xué)家 Henry Stommel 第一次提出 AUG 的概念[4]。目前，市場上成熟的 AUG 產(chǎn)品主要有：美國 Teledyne Webb 公司的電能 Slocum Glider[5]、美國 IRobot 公司的 Spray Glider[6]、美國 Bluefin Robotics 公司的 Sea Glider[7]及法國 ACSA 公司的 Sea Explorer Glider。如圖 1.2 所示為四種典型 AUG 圖。

（c）Sea Glider （d）Sea Explorer Glider圖 1.2 四種典型 AUGFig.1.2 Four representative AUGs1995 年 WHIO 的 Doug Webb 以 SLOCUM 為基礎(chǔ)制作出了溫差能水下滑翔機(jī)，并進(jìn)行了總航程 3000km，75 個(gè)航次試驗(yàn)，充分驗(yàn)證了溫差能水下滑翔機(jī)工程應(yīng)用的可行性和穩(wěn)定性[8]。日本大阪府立大學(xué)（Osaka Prefecture University）根據(jù)海洋上面積廣闊，太陽能豐富的特點(diǎn)，研制了一款太陽能水下滑翔機(jī) SORA[9]。該款水下滑翔機(jī)是在水翼上裝有太陽能電池板用來充電，充電時(shí)浮在水面，工作時(shí)潛入水下，電量消耗完后，再次浮出水面充電�？紤]到，海洋中波浪能豐富的特點(diǎn)，波浪能水下滑翔機(jī)（Wave Glider）也被越來越多國家研究[10]。Wave Glider 由 2 部分組成，浮在水面的浮體和水下的波浪板。水面浮體內(nèi)裝有傳感器與數(shù)據(jù)采集設(shè)備，水下的波浪板可將波浪能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能帶動(dòng)波浪能滑翔機(jī)前進(jìn)。該能量轉(zhuǎn)化裝置可大大提高續(xù)航力。為了可以調(diào)查更深海域的情況，美國 APL 實(shí)驗(yàn)室在 2002 年研發(fā)了一種能潛

4（e）Discus （f）X-RAY圖 1.3 各種類型 AUGFig.1.3 Various types of underwater gliders1.2.2 國外自主水下航行器研究現(xiàn)狀A(yù)UV 是一種水下無人高智能化的新型水下機(jī)器人。一般外形采用回轉(zhuǎn)體設(shè)計(jì)，用于特殊工作的 AUV 外形采用開架式設(shè)計(jì)。AUV 主要由主體框架、推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與作業(yè)系統(tǒng)組成。AUV 的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在軍事與民用領(lǐng)域。由于 AUV 造價(jià)過高、技術(shù)較新，早期是在軍事領(lǐng)域中得到了廣

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本文編號(hào)：2822301