本文關(guān)鍵詞：混合驅(qū)動水下滑翔機系統(tǒng)設(shè)計與運動行為研究

  更多相關(guān)文章： 混合驅(qū)動水下滑翔機 動力學模型 運動特性 不確定性 水域性能試驗

【摘要】：混合驅(qū)動水下滑翔機是一類新型水下潛器,實現(xiàn)了傳統(tǒng)水下滑翔機和無人水下航行器驅(qū)動方式的集成,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)動水下滑翔機具有滑翔工作模式和AUV推進工作模式。在滑翔工作模式下,混合驅(qū)動水下滑翔機可依靠浮力調(diào)節(jié)單元和姿態(tài)調(diào)節(jié)單元實現(xiàn)“鋸齒形”剖面運動,具有能耗低、工作時間長、航程遠、噪音低等特點;而在AUV推進工作模式下,航行器可以通過螺旋槳單元和轉(zhuǎn)向機構(gòu)完成快速、精確的航跡跟蹤運動。本文依托國家科技項目,面向我國深遠海域環(huán)境監(jiān)測需求,設(shè)計和研制了混合驅(qū)動水下滑翔機工程樣機,Petrel II。論文重點研究了樣機總體設(shè)計方案和單元設(shè)計方案,建立了航行器動力學模型,并依據(jù)該模型進行了航行器在參數(shù)確定和不確定條件下的運動特性研究,得到了其運動性能參數(shù)的取值范圍和變化特性。最后,水域性能試驗結(jié)果表明樣機實現(xiàn)了預期功能和設(shè)計指標,進而也驗證了本文設(shè)計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)新點為:本文提出了融合傳統(tǒng)AUG和AUV驅(qū)動特點的混合驅(qū)動水下滑翔機設(shè)計方法,并應(yīng)用于我國首臺大深度混合驅(qū)動水下滑翔機工程樣機的研制。此樣機最大工作深度1500 m,最大水平滑翔速度0.5 m/s,最大推進航速1.5 m/s,具備全球定位及通訊功能。運用動量和動量矩定理構(gòu)建了混合驅(qū)動水下滑翔機空間六自由度運動數(shù)學模型。此模型同時考慮了浮力調(diào)節(jié)單元、螺旋槳推進單元、俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)和橫滾調(diào)節(jié)機構(gòu)等運動部件的控制作用,并對航行器受到的流體動力做了合理簡化,能夠準確地描述混合驅(qū)動水下滑翔機運動行為�；谶\動數(shù)學模型,推導了航行器在鉛垂平面和水平面內(nèi)的運動方程及主要運動參數(shù)的表達式,量化分析了設(shè)計參數(shù)與運動性能參數(shù)間的關(guān)系,仿真得到了航行器穩(wěn)態(tài)平面運動時主要運動參數(shù)的取值范圍,并優(yōu)化設(shè)計了關(guān)鍵運動參數(shù)。同時,根據(jù)混合驅(qū)動水下滑翔機研制流程及運動特點,提出了新的性能測試方案和規(guī)范,為系統(tǒng)的功能驗證和指標考核提供了重要的指導,也為其它海洋監(jiān)測設(shè)備的試驗與測試提供了參考。本文將工程實際中的不確定性問題引入到混合驅(qū)動水下滑翔機的動力學行為研究中,分析了航行器不確定參數(shù)的存在形式,以確定條件下的動力學模型為基礎(chǔ),結(jié)合概率統(tǒng)計方法建立了航行器參數(shù)不確定動力學模型,并使用蒙特卡洛方法量化了不確定參數(shù)與運動性能參數(shù)之間的關(guān)系。研究工作為混合驅(qū)動滑翔機系統(tǒng)設(shè)計完善提供了重要指導。
【關(guān)鍵詞】：混合驅(qū)動水下滑翔機 動力學模型 運動特性 不確定性 水域性能試驗
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 水下滑翔機研究現(xiàn)狀22-28
• 1.3.2 自主水下航行器發(fā)展狀況28-32
• 1.3.3 混合驅(qū)動水下滑翔機發(fā)展狀況32-35
• 1.3.4 水下潛器動力學行為研究狀況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)動水下滑翔機系統(tǒng)設(shè)計39-63
• 2.1 引言39
• 2.2 設(shè)計目標與工作流程39-41
• 2.2.1 設(shè)計目標與功能要求39-40
• 2.2.2 工作流程40-41
• 2.3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計41-43
• 2.3.1 設(shè)計方案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)動水下滑翔機主要功能單元設(shè)計與計算43-61
• 2.4.1 水動力外形設(shè)計43-47
• 2.4.2 耐壓主體設(shè)計47-51
• 2.4.3 浮力調(diào)節(jié)單元設(shè)計與計算51-54
• 2.4.4 姿態(tài)調(diào)節(jié)單元設(shè)計54-56
• 2.4.5 螺旋槳推進單元設(shè)計56-58
• 2.4.6 控制系統(tǒng)設(shè)計58-61
• 2.5 本章小結(jié)61-63
• 第三章 混合驅(qū)動水下滑翔機動力學建模與仿真63-91
• 3.1 引言63
• 3.2 坐標系統(tǒng)描述63-69
• 3.2.1 坐標系選擇與變量定義63-65
• 3.2.2 坐標系變換矩陣65-69
• 3.3 混合驅(qū)動水下滑翔機運動學方程69-70
• 3.3.1 運動速度方程69
• 3.3.2 運動角速度方程69-70
• 3.4 混合驅(qū)動水下滑翔機動力學方程70-82
• 3.4.1 混合驅(qū)動水下滑翔機模型描述70-72
• 3.4.2 混合驅(qū)動水下滑翔機受力分析72-78
• 3.4.3 混合驅(qū)動水下滑翔機動力學方程推導78-80
• 3.4.4 混合驅(qū)動水下滑翔機動力學方程一般表達80-82
• 3.5 混合驅(qū)動水下滑翔機動力學數(shù)值仿真82-89
• 3.5.1 運動模型參數(shù)賦值82-84
• 3.5.2 運動數(shù)值仿真84-89
• 3.6 本章小結(jié)89-91
• 第四章 混合驅(qū)動水下滑翔機運動特性研究91-107
• 4.1 引言91
• 4.2 航行器縱向運動特性91-100
• 4.2.1 縱向運動方程91-93
• 4.2.2 穩(wěn)態(tài)縱向運動特性分析93-100
• 4.3 航行器橫向-橫滾運動特性100-106
• 4.3.1 橫向-橫滾運動方程100-101
• 4.3.2 橫向-橫滾運動特性分析101-106
• 4.4 本章小結(jié)106-107
• 第五章 混合驅(qū)動水下滑翔機參數(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 航行器動力學模型中的不確定性因素108
• 5.2.2 不確定因素數(shù)學描述108-112
• 5.3 航行器參數(shù)不確定性動力學建模112-114
• 5.3.1 航行器參數(shù)不確定動力學方程112-113
• 5.3.2 航行器參數(shù)不確動力學行為分析方法113-114
• 5.4 運動數(shù)值仿真分析114-126
• 5.4.1 滑翔模式下“鋸齒形”剖面運動114-119
• 5.4.2 AUV推進模式下水面直航運動119-123
• 5.4.3 AUV推進模式下定深運動123-126
• 5.5 本章小結(jié)126-127
• 第六章 混合驅(qū)動水下滑翔機試驗研究127-153
• 6.1 引言127
• 6.2 混合驅(qū)動水下滑翔機主要單元性能試驗127-131
• 6.2.1 耐壓主體水靜壓力性能試驗127-129
• 6.2.2 浮力調(diào)節(jié)單元性能試驗129-131
• 6.3 混合驅(qū)動水下滑翔機整機性能試驗131-151
• 6.3.1 混合驅(qū)動水下滑翔機湖域性能試驗131-141
• 6.3.2 混合驅(qū)動水下滑翔機海域性能試驗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155-163
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明163-165
• 致謝165-166

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本文編號：813345