本文關(guān)鍵詞：基于微分幾何理論的水下航行器動力學(xué)研究

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【摘要】：水下航行器作為一種新型的水下勘測平臺，在軍事和民用領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展前景。在水下航行器動力學(xué)分析中往往將航行器與其周圍的流體介質(zhì)視做一個機械系統(tǒng)。航行器在運動過程中通過與流體介質(zhì)相互作用，完成相應(yīng)的動作。由于水下航行器周圍的流體介質(zhì)存在阻尼，兩者相互作用機理比較復(fù)雜，航行器與周圍流體介質(zhì)組成一個非線性、強耦合的機械系統(tǒng)。 本文在課題組以往研究的基礎(chǔ)上，從能量的觀點出發(fā)，通過引入微分幾何方法對水下航行器進行建模分析，得到水下航行器基于微分幾何理論的動力學(xué)模型。以課題組研發(fā)的混合驅(qū)動水下滑翔器和矢量推進式水下自主航行器為分析對象，通過對具體的航行器系統(tǒng)進行研究，代入到動力學(xué)模型中，進行水下航行器空間六自由度運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)值仿真分析。通過將仿真分析結(jié)果和湖試、海試試驗對比，驗證動力學(xué)模型的正確性，為后續(xù)研究基于微分幾何理論的控制系統(tǒng)提供動力學(xué)模型。 本文的主要研究成果如下： 1.針對水下航行器在流體介質(zhì)中運動的特點，從能量的角度出發(fā)，，推導(dǎo)出通用的水下航行器動力學(xué)方程。水下航行器作為一種特殊的機械系統(tǒng)，由其質(zhì)量矩陣引入黎曼度量，對水下航行器的動力學(xué)模型進行幾何推導(dǎo)，得到水下航行器基于微分幾何理論的動力學(xué)模型。 2.通過對混合驅(qū)動水下滑翔機PETREL-II系統(tǒng)分析，得到其簡化系統(tǒng)模型，將簡化系統(tǒng)模型受力情況代入到動力學(xué)模型中，進行仿真分析。仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的正確性。 3.通過對矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)分析，得到該系統(tǒng)的簡化模型，將該系統(tǒng)受力情況帶入到動力學(xué)模型中，進行仿真分析。仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型的正確性。
【關(guān)鍵詞】：水下航行器 動力學(xué)建模 微分幾何 數(shù)值仿真
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U661.3;U674.941
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 無人水下航行器的研究發(fā)展狀況10-19
• 1.2.1 水下自主式航行器發(fā)展狀況10-15
• 1.2.2 水下滑翔器發(fā)展狀況15-18
• 1.2.3 微分幾何理論在水下航行器的研究狀況18-19
• 1.3 研究目的與意義19
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容19-21
• 第二章 水下航行器動力學(xué)建模21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 水下航行器系統(tǒng)描述21-27
• 2.2.1 坐標系統(tǒng)描述21-23
• 2.2.2 坐標系統(tǒng)變量定義23-24
• 2.2.3 水下航行器坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系24-27
• 2.3 水下航行器動力學(xué)模型建立27-34
• 2.3.1 空間自由剛體運動學(xué)和動力學(xué)表達28-29
• 2.3.2 水下航行器運動學(xué)和動力學(xué)表達29-31
• 2.3.3 水下航行器動力學(xué)表達31-34
• 2.4 本章小結(jié)34-35
• 第三章 混合驅(qū)動水下滑翔器動力學(xué)特性分析35-52
• 3.1 引言35
• 3.2 混合驅(qū)動水下滑翔器系統(tǒng)模型分析35-38
• 3.2.1 混合驅(qū)動水下滑翔器系統(tǒng)構(gòu)成與布局35-37
• 3.2.2 混合驅(qū)動水下滑翔器系統(tǒng)抽象模型37-38
• 3.2.3 混合驅(qū)動水下滑翔器系統(tǒng)簡化38
• 3.3 混合驅(qū)動水下滑翔器動力學(xué)模型建立38-44
• 3.3.1 混合驅(qū)動水下滑翔器受力分析38-44
• 3.4 混合驅(qū)動水下滑翔器運動分析44-51
• 3.4.1 混合驅(qū)動水下滑翔器鉛垂面運動分析44-48
• 3.4.2 混合驅(qū)動水下滑翔器空間運動分析48-51
• 3.5 本章小結(jié)51-52
• 第四章 矢量推進水下自主航行器動力學(xué)特性分析52-63
• 4.1 引言52
• 4.2 矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)模型分析52-55
• 4.2.1 矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)構(gòu)成與布局53-54
• 4.2.2 矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)模型簡化54-55
• 4.3 矢量推進式水下自主航行器動力學(xué)模型建立55-59
• 4.3.1 矢量推進式水下自主航行器受力分析55-59
• 4.4 矢量推進式水下自主航行器運動分析59-62
• 4.4.1 矢量推進式水下自主航行器鉛垂面運動分析59-61
• 4.4.2 矢量推進式水下自主航行器水平面運動分析61
• 4.4.3 矢量推進式水下自主航行器空間運動分析61-62
• 4.5 本章小結(jié)62-63
• 第五章 水下航行器湖試和海試研究63-71
• 5.1 引言63
• 5.2 混合驅(qū)動水下滑翔器湖試和海試研究63-67
• 5.2.1 混合驅(qū)動水下滑翔器剖面滑翔運動試驗研究64-66
• 5.2.2 混合驅(qū)動水下滑翔器定深航行運動試驗研究66-67
• 5.3 矢量推進式水下自主航行器海試研究67-70
• 5.3.1 矢量推進式水下自主航行器渤海海試研究68-70
• 5.4 本章小結(jié)70-71
• 第六章 結(jié)論與展望71-72
• 6.1 全文結(jié)論71
• 6.2 工作展望71-72
• 參考文獻72-76
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明76-77
• 致謝77

【參考文獻】

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本文編號：546294