隨著人類社會對自然資源的需求日益增長,海洋由于其蘊(yùn)藏的豐富資源而逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。自主水下航行器可以在海洋環(huán)境中進(jìn)行資源勘探、科學(xué)采樣、地形探測和應(yīng)急搜救等工作,在科研和軍事領(lǐng)域受到了廣泛的重視。海洋環(huán)境中存在著海流、海浪等各種復(fù)雜的干擾因素,會對水下航行器作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重的影響。因此,發(fā)展一種具備良好的穩(wěn)定性、靈活性和操縱性的水下航行器成為了迫切的需求。本文的研究對象是一種具有新型飛碟外形的自主水下航行器——水下直升機(jī),其主要特點(diǎn)是具備全周轉(zhuǎn)向、自由起降和定點(diǎn)懸停的能力。為保證水下直升機(jī)工作時的機(jī)動性和安全性,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動控制,并為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計提供參考,正確地預(yù)報水下直升機(jī)在海流、海浪等復(fù)雜環(huán)境中的水動力性能和運(yùn)動情況具有十分重要的意義。本文的主要研究內(nèi)容如下:首先根據(jù)水下航行器典型的運(yùn)動方程,對水下直升機(jī)的受力情況進(jìn)行分析,結(jié)合水下直升機(jī)特有的四螺旋槳控制航速和轉(zhuǎn)向的運(yùn)動模式,并加入海流和海浪的干擾模型,建立了空間六自由度運(yùn)動方程。對于水下直升機(jī)受到的水動力進(jìn)行了數(shù)值計算,包括慣性力、粘性力和螺旋槳的水動力。采用勢流理論計算了水下直升機(jī)的慣性水動力,得到附加質(zhì)量矩陣,并對計算結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。粘性力的求解采用基于RANS方程的數(shù)值方法,分別得到了水下直升機(jī)水平面和垂直面直航時的粘性力系數(shù)。單個螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩模型則是通過B4-70系列螺旋槳四象限敞水性能圖譜得到。然后考慮把波浪力作為外加干擾力,通過水動力軟件AQWA分別計算了水下直升機(jī)在不同潛深、浪向角、頻率下的六自由度波浪力,并計算了母船干擾下的波浪力響應(yīng)。在大型斷面波流水槽中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),測量水下直升機(jī)的橫搖角在波浪中的響應(yīng),與數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了計算的可靠性。最后將所得到的水動力整合,建立水下直升機(jī)運(yùn)動仿真系統(tǒng),對直航運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動、螺旋下潛等典型運(yùn)動以及考慮海流、波浪、母船干擾下的運(yùn)動進(jìn)行了仿真,并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,進(jìn)而對水下直升機(jī)實(shí)際運(yùn)動性能有一個更全面的了解,為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)動控制打下了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U674.941
【部分圖文】：

１．２中英國埃塞克斯大學(xué)的“ＭＴ１”仿生機(jī)器魚［１＼以推進(jìn)行為模式為重點(diǎn)，運(yùn)??用單個電機(jī)模塊控制多個關(guān)節(jié)的尾鰭結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了其在水中靈活的運(yùn)動。??圖１．２埃塞克斯大學(xué)“ＭＴ１”仿生機(jī)器魚??還有一些較為新穎的水下機(jī)器人外形，例如日本東京大學(xué)研制的微小型水下??ＡＵＶ?“Ｔａｍ－Ｅｇｇ”［１�。荆�，如圖?１．３?所示�？傞L?１．２２ｍ，寬?０．５８ｍ，高?０．５ｍ。具有扁??平化的機(jī)構(gòu)外形，使用四個１００Ｗ的推進(jìn)器推進(jìn)，可用于海底復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如沉船）??的探查。??另外由美國夏威夷大學(xué)的自主式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ?Ｓｙｓｔｅｍ?Ｌａｂ）研制??的“ＯＤＩＮ”球形水下機(jī)器人［２（）］，具備８個推進(jìn)器，使其可以全方位的自由運(yùn)動，??如圖１．４所示。球體的外形具有良好的承壓能力，但在水中運(yùn)動的阻力較大，適??合使用于局部作業(yè)。??圖１．３日本東京大學(xué)ＡＵＶ?“Ｔａｍ－Ｅｇｇ”?圖１．４夏威夷大學(xué)“ＯＤＩＮ”球形水下機(jī)器人??４??

另外由美國夏威夷大學(xué)的自主式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（Ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ?Ｓｙｓｔｅｍ?Ｌａｂ）研制??的“ＯＤＩＮ”球形水下機(jī)器人［２（）］，具備８個推進(jìn)器，使其可以全方位的自由運(yùn)動，??如圖１．４所示。球體的外形具有良好的承壓能力，但在水中運(yùn)動的阻力較大，適??合使用于局部作業(yè)。??圖１．３日本東京大學(xué)ＡＵＶ?“Ｔａｍ－Ｅｇｇ”?圖１．４夏威夷大學(xué)“ＯＤＩＮ”球形水下機(jī)器人??４??

通過ＧＰＳ來追蹤它的位置。該機(jī)器人主要用于測量水溫、鹽度和深度，但其運(yùn)??動方式更類似于水下滑翔機(jī)，機(jī)動性和靈活性并不高。其外形和工作方式分別如??圖１．５和圖１．６所示。??Ｄａｔａ?ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ?ｂｙ??ＧＰＳ?ｍｏｂｉｌｅ?ｐｈｏｎｅ?＼（ＯＪＭｉｒｔ．，ｎｃｌｒｔ??圖１．５?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”?ＡＵＶ外形?圖１．６?“Ｂｏｏｍｅｒａｎｇ”工作方式示意圖??哈爾濱工程大學(xué)也設(shè)計并研制了一種具有圓碟形狀的新型水下機(jī)器人［２２］，由??控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及無線通信系統(tǒng)五大系統(tǒng)組成，??其外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖丨．７和圖１．８所示。其中推進(jìn)系統(tǒng)采用四個布置在??內(nèi)部的噴水泵，通過４個噴水泵的功率配合實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的任意平面運(yùn)行。質(zhì)??心調(diào)節(jié)系統(tǒng)則通過Ｘ、Ｙ兩個軸向的重塊來控制其重心，通過重力和浮力產(chǎn)生的??扭矩使其繞重心轉(zhuǎn)動來改變姿態(tài)。推進(jìn)系統(tǒng)與質(zhì)心調(diào)節(jié)系統(tǒng)配合從而實(shí)現(xiàn)空間六??自由度的運(yùn)動。??＾ｓｓ參??圖丨．７哈爾濱工程大學(xué)研制的碟形水下機(jī)器人?圖１．８碟形水下機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意??５??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2871900