發(fā)布時(shí)間：2017-09-08 09:51

  本文關(guān)鍵詞：混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)行為研究

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【摘要】：混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)是一類新型水下潛器,實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)水下滑翔機(jī)和無人水下航行器驅(qū)動(dòng)方式的集成,滿足了人類未來對海洋監(jiān)測任務(wù)多樣化的需求。混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)具有滑翔工作模式和AUV推進(jìn)工作模式。在滑翔工作模式下,混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)可依靠浮力調(diào)節(jié)單元和姿態(tài)調(diào)節(jié)單元實(shí)現(xiàn)“鋸齒形”剖面運(yùn)動(dòng),具有能耗低、工作時(shí)間長、航程遠(yuǎn)、噪音低等特點(diǎn);而在AUV推進(jìn)工作模式下,航行器可以通過螺旋槳單元和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成快速、精確的航跡跟蹤運(yùn)動(dòng)。本文依托國家科技項(xiàng)目,面向我國深遠(yuǎn)海域環(huán)境監(jiān)測需求,設(shè)計(jì)和研制了混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)工程樣機(jī),Petrel II。論文重點(diǎn)研究了樣機(jī)總體設(shè)計(jì)方案和單元設(shè)計(jì)方案,建立了航行器動(dòng)力學(xué)模型,并依據(jù)該模型進(jìn)行了航行器在參數(shù)確定和不確定條件下的運(yùn)動(dòng)特性研究,得到了其運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)的取值范圍和變化特性。最后,水域性能試驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能和設(shè)計(jì)指標(biāo),進(jìn)而也驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的正確性和理論模型的有效性。本文主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)為:本文提出了融合傳統(tǒng)AUG和AUV驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)的混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)方法,并應(yīng)用于我國首臺(tái)大深度混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)工程樣機(jī)的研制。此樣機(jī)最大工作深度1500 m,最大水平滑翔速度0.5 m/s,最大推進(jìn)航速1.5 m/s,具備全球定位及通訊功能。運(yùn)用動(dòng)量和動(dòng)量矩定理構(gòu)建了混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)空間六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。此模型同時(shí)考慮了浮力調(diào)節(jié)單元、螺旋槳推進(jìn)單元、俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和橫滾調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件的控制作用,并對航行器受到的流體動(dòng)力做了合理簡化,能夠準(zhǔn)確地描述混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)行為。基于運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)了航行器在鉛垂平面和水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方程及主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的表達(dá)式,量化分析了設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)間的關(guān)系,仿真得到了航行器穩(wěn)態(tài)平面運(yùn)動(dòng)時(shí)主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的取值范圍,并優(yōu)化設(shè)計(jì)了關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)。同時(shí),根據(jù)混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)研制流程及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),提出了新的性能測試方案和規(guī)范,為系統(tǒng)的功能驗(yàn)證和指標(biāo)考核提供了重要的指導(dǎo),也為其它海洋監(jiān)測設(shè)備的試驗(yàn)與測試提供了參考。本文將工程實(shí)際中的不確定性問題引入到混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)行為研究中,分析了航行器不確定參數(shù)的存在形式,以確定條件下的動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ),結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)方法建立了航行器參數(shù)不確定動(dòng)力學(xué)模型,并使用蒙特卡洛方法量化了不確定參數(shù)與運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)之間的關(guān)系。研究工作為混合驅(qū)動(dòng)滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善提供了重要指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī) 動(dòng)力學(xué)模型 運(yùn)動(dòng)特性 不確定性 水域性能試驗(yàn)
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：U674.941
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-15
• 字母注釋表15-18
• 英文簡寫對照表18-19
• 第一章 緒論19-39
• 1.1 引言19
• 1.2 研究背景19-22
• 1.3 研究現(xiàn)狀22-37
• 1.3.1 水下滑翔機(jī)研究現(xiàn)狀22-28
• 1.3.2 自主水下航行器發(fā)展?fàn)顩r28-32
• 1.3.3 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)發(fā)展?fàn)顩r32-35
• 1.3.4 水下潛器動(dòng)力學(xué)行為研究狀況35-37
• 1.4 本課題的來源及意義37
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容37-39
• 第二章 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)39-63
• 2.1 引言39
• 2.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與工作流程39-41
• 2.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與功能要求39-40
• 2.2.2 工作流程40-41
• 2.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)41-43
• 2.3.1 設(shè)計(jì)方案41-42
• 2.3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局與單元組成42-43
• 2.4 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)主要功能單元設(shè)計(jì)與計(jì)算43-61
• 2.4.1 水動(dòng)力外形設(shè)計(jì)43-47
• 2.4.2 耐壓主體設(shè)計(jì)47-51
• 2.4.3 浮力調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)與計(jì)算51-54
• 2.4.4 姿態(tài)調(diào)節(jié)單元設(shè)計(jì)54-56
• 2.4.5 螺旋槳推進(jìn)單元設(shè)計(jì)56-58
• 2.4.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)58-61
• 2.5 本章小結(jié)61-63
• 第三章 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模與仿真63-91
• 3.1 引言63
• 3.2 坐標(biāo)系統(tǒng)描述63-69
• 3.2.1 坐標(biāo)系選擇與變量定義63-65
• 3.2.2 坐標(biāo)系變換矩陣65-69
• 3.3 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程69-70
• 3.3.1 運(yùn)動(dòng)速度方程69
• 3.3.2 運(yùn)動(dòng)角速度方程69-70
• 3.4 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)方程70-82
• 3.4.1 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)模型描述70-72
• 3.4.2 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)受力分析72-78
• 3.4.3 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)78-80
• 3.4.4 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)方程一般表達(dá)80-82
• 3.5 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真82-89
• 3.5.1 運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)賦值82-84
• 3.5.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真84-89
• 3.6 本章小結(jié)89-91
• 第四章 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特性研究91-107
• 4.1 引言91
• 4.2 航行器縱向運(yùn)動(dòng)特性91-100
• 4.2.1 縱向運(yùn)動(dòng)方程91-93
• 4.2.2 穩(wěn)態(tài)縱向運(yùn)動(dòng)特性分析93-100
• 4.3 航行器橫向-橫滾運(yùn)動(dòng)特性100-106
• 4.3.1 橫向-橫滾運(yùn)動(dòng)方程100-101
• 4.3.2 橫向-橫滾運(yùn)動(dòng)特性分析101-106
• 4.4 本章小結(jié)106-107
• 第五章 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)參數(shù)不確定性行為研究107-127
• 5.1 引言107
• 5.2 不確定性問題描述107-112
• 5.2.1 航行器動(dòng)力學(xué)模型中的不確定性因素108
• 5.2.2 不確定因素?cái)?shù)學(xué)描述108-112
• 5.3 航行器參數(shù)不確定性動(dòng)力學(xué)建模112-114
• 5.3.1 航行器參數(shù)不確定動(dòng)力學(xué)方程112-113
• 5.3.2 航行器參數(shù)不確動(dòng)力學(xué)行為分析方法113-114
• 5.4 運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真分析114-126
• 5.4.1 滑翔模式下“鋸齒形”剖面運(yùn)動(dòng)114-119
• 5.4.2 AUV推進(jìn)模式下水面直航運(yùn)動(dòng)119-123
• 5.4.3 AUV推進(jìn)模式下定深運(yùn)動(dòng)123-126
• 5.5 本章小結(jié)126-127
• 第六章 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)試驗(yàn)研究127-153
• 6.1 引言127
• 6.2 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)主要單元性能試驗(yàn)127-131
• 6.2.1 耐壓主體水靜壓力性能試驗(yàn)127-129
• 6.2.2 浮力調(diào)節(jié)單元性能試驗(yàn)129-131
• 6.3 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)整機(jī)性能試驗(yàn)131-151
• 6.3.1 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)湖域性能試驗(yàn)131-141
• 6.3.2 混合驅(qū)動(dòng)水下滑翔機(jī)海域性能試驗(yàn)141-151
• 6.4 本章小結(jié)151-153
• 第七章 全文總結(jié)與展望153-155
• 7.1 全文總結(jié)153-154
• 7.2 工作展望154-155
• 參考文獻(xiàn)155-163
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明163-165
• 致謝165-166

，

本文編號：813345