AUV运动控制系统的设计与组建

本文依据AUV的概念模型,设计并组建了基于80C52单片机的水下滑翔机运动控制系统.该系统通过单片机采集、反馈滑翔机的运动参数,从而驱动姿态、重力、方向调节模块,控制滑翔机在"低头下潜、抬头上浮"的俯仰调控中于水下呈锯齿状滑翔.且特色性地在两翼设置螺旋桨,提供前进与转向力,配合压力、霍尔、温度、超声波、倾斜开关等传感器,使机器在水中具有强机动性与高控制精度,为专用AUV提供了设计与技术思路.     

飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析

为提高碟形水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式碟形自主水下滑翔机,采用计算流体力学中SST(shear stress transmission)湍流模型对其流体动力特性进行分析,得到其在0°~21°小攻角范围内升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数以及升阻比的变化规律.并与模型实验结果进行对比,得出数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性,验证了数值计算方法的有效性,且与传统水下滑翔机相比,飞翼式碟形自主水下滑翔机具有更优的综合水动力性能和滑翔经济性能.对于其运动特性,则基于多体动力学理论建立了该型水下滑翔机的动力学与运动学模型,并考虑了其内部纵向、横向调位滑块移动速度以及浮力驱动系统压载质量变化速度等调节变化的影响,代入数值仿真所得水动力系数,对该型水下滑翔机锯齿滑翔和螺旋滑翔等两种典型水下滑翔运动进行运动仿真.结果表明,该型水下滑翔机具有一定的运动稳定性,从理论上验证了其水下滑翔的可能.     

圆碟形水下滑翔机运动仿真分析

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下潜器,其全翼身外形使其具有全向运动特性。为了研究圆碟形对水下滑翔机运动性能的影响,本文基于动量(矩)定理建立圆碟形水下滑翔机的运动控制方程,采用四阶龙格-库塔法求解。分别对圆碟形水下滑翔机在垂直面内的直线运动、受外界小幅扰动运动和空间螺旋运动进行了仿真分析。仿真结果表明,圆碟形水下滑翔机的升阻比相比于鱼雷形水下滑翔机较高,其自身受到外界小幅扰动时具有一定的稳定性;空间螺旋运动的螺旋半径、螺距以及周期都远小于鱼雷形水下滑翔机,小空间内的机动能力得到了大幅提高。     

圆碟形水下滑翔机运动仿真分析

圆碟形水下滑翔机是一种新型的水下潜器,其全翼身外形使其具有全向运动特性。为了研究圆碟形对水下滑翔机运动性能的影响,本文基于动量(矩)定理建立圆碟形水下滑翔机的运动控制方程,采用四阶龙格-库塔法求解。分别对圆碟形水下滑翔机在垂直面内的直线运动、受外界小幅扰动运动和空间螺旋运动进行了仿真分析。仿真结果表明:圆碟形水下滑翔机的升阻比相比于鱼雷形水下滑翔机较高,其自身受到外界小幅扰动时具有一定的稳定性;空间螺旋运动的螺旋半径、螺距以及周期都远小于鱼雷形水下滑翔机,小空间内的机动能力得到了大幅提高。     

可控翼混合驱动水下滑翔机运动性能研究

提出了一种可控翼混合驱动水下滑翔机的概念,借助独立控制的左右滑翔翼和螺旋桨推进器,该滑翔机能够实现高效率滑翔推进和高机动性螺旋桨推进2种推进方式,可有效解决现有水下滑翔机或推进效率低或机动性差的问题。为了研究该滑翔机的运动性能,基于Newton-Euler法建立了六自由度运动数学模型。通过求解稳态滑翔运动平衡方程,定量分析了可控翼翻转角对滑翔机滑翔性能的影响。根据六自由度动力学模型,对该滑翔机的滑翔运动和螺旋桨推进运动进行了仿真研究,仿真结果表明可控翼混合驱动水下滑翔机相比常规水下滑翔机有较高的航行性能。     

喷水推进型水下滑翔机的水平翼参数配置及定常运动分析

以喷水推进型水下滑翔机为研究对象,对比理论计算、数值仿真和拖曳试验结果,验证数值仿真方法计算水动力的准确性.考虑水平翼对水下滑翔机滑翔效率和静稳特性的影响,通过设计正交仿真试验和利用惠克公式确定水平翼的参数配置.基于刚体六自由度动力学模型,建立喷水推进型水下滑翔机的动力学模型,对定常滑翔运动和水平面回转运动进行运动仿真.结果表明,滑翔运动时,随质心调节位移的增加,攻角减小、滑翔角和滑翔速度增大;水平面回转运动时,随舵角增大,回转半径和回转周期减小,并且航速越快,尾舵调节效果越好.研究结果对喷水推进型水下滑翔机的设计与应用具有指导意义.     

水下滑翔机的机翼位置与螺旋运动关系分析

建立水下滑翔机稳态螺旋运动的数学模型,采用数值方法求解该模型,得出对应5个机翼位置的滑翔机螺旋运动特性.结果表明,水下滑翔机螺旋运动的形式随着机翼位置的变化而变化.存在一个过渡性区域("分水岭"区域),当机翼位于这个区域前面时,水下滑翔机转向方向与机翼升力侧向分量方向一致,滑翔机按照正螺旋方式转向;当机翼位于这个区域后面时,水下滑翔机转向方向与机翼升力侧向分量方向相反,滑翔机按照反螺旋方式转向;当机翼位于这个区域内时,滑翔机的转弯方向具有不确定性,并与重心位置有关.无论滑翔机按照何种方式转弯,机翼离这个区域越远,转弯的速率就越高.湖中实验结果表明:机翼位置可以影响螺旋运动的转弯方向,且稳态试验数据与数值理论结果的误差≤15%.     

水柱测量中的水下滑翔机转向性能

为了实现水体的水柱测量,设计一种具备大范围俯仰角调节能力的水下滑翔机.该滑翔机利用多自由度重心调节系统,能同时实现常规滑翔与竖直剖面监测.研究扩大水下滑翔机在水柱测量点之间的间隔并提高转向过程的效率的方法.采用经过扩展攻角的水动力模型、计算流体力学方法、运动仿真以及湖水试验,分析不同的侧翼位置以及转向俯仰角对应的转向性能.试验与仿真结果表明,将侧翼位置远离尾翼并在转向过程中保持较小的俯仰角,能够减小转向半径,提高转向率以及整个滑翔过程在目标方向上的覆盖范围.湖水试验显示,相对于常规的27°转向俯仰角,使用更优的5°转向俯仰角可以使转向半径降低66%,使转向率提高330%,使目标覆盖距离提高77%.     

一种联翼式水下滑翔机外形优化设计方法

为增大传统水下滑翔机的升阻比,提高水下滑翔机的运动性能,将航空领域先进的联翼布局与传统水下滑翔机相结合,提出了一种新型的联翼式水下滑翔机,并通过外形优化设计使得联翼式水下滑翔机具有更优的升阻特性.首先,对水下滑翔机主体进行数值仿真模拟,将得到的结果与试验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性.其次,运用CFD仿真软件比较分析了正交错、负交错和联尾翼3种联翼布局外形的升阻特性,选择升阻比最大的正交错布局作为水下滑翔机的初始外形.然后采用描形参数化方法,建立了联翼式水下滑翔机外形的参数化模型.最后,以最大化升阻比为优化目标,构建Kriging代理模型并采用EGO算法对联翼式水下滑翔机外形进行了优化设计.研究结果表明:优化后的联翼式水下滑翔机外形相比于初始外形,升阻比提高了18.42%;相较于传统水下滑翔机,升阻比提高了23.45%,从而验证了联翼式水下滑翔机具有更优异的升阻特性.本文的研究成果为提高水下滑翔机的滑翔性能提供了一种新思路和途径.     

水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究

通过动力学分析,确定水下滑翔机的体积变化范围达到±200 mL就可以保持滑翔运动.比较水下滑翔机经常采用的两类改变体积的方法,选用液压方式的浮力调节系统为水下滑翔机提供动力.浮力调节系统由外部油囊、内部油缸、双向泵、单向阀和电磁开关阀组成,采用AMESim软件的仿真分析结果表明,浮力调节系统工作时间稳定、排量变化均匀.实验结果表明,水下滑翔机的体积变化可以准确测量,集成于内部油缸的传感器使体积变化的分辨率达到0.76 mL,在0.2～1.5 MPa的环境压力下,浮力调节系统的排油和回油时间稳定在80 s左右,其工作性能符合水下滑翔机运动需求.     

全海深AUV上浮运动稳定性分析

针对现有的水下机器人的运动稳定性分析仅局限于定深直航的现象,本文对全海深AUV上浮运动稳定性进行研究,研究内容对机器人的稳定性判别和相应的机器人水动力型体设计以及运动控制策略设计具有重要意义。论文根据古尔维茨判别法的思想推导了全海深AUV从水面下潜至工作深度以及从工作深度上浮至水面的运动稳定性判定公式,通过计算一台全海深AUV的水动力系数,利用所推导的稳定性判定公式,对该台水下机器人的运动稳定性进行评判,结果表明该水下机器人的稳定性符合设计要求,全海深AUV在上浮过程中具有良好的动稳定性。     

基于FFD的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

水下滑翔机发展至今大体上可以分成2个大类:常规布局外形水下滑翔机与非常规布局水下滑翔机。翼身融合水下滑翔机作为一种非常规布局水下滑翔机,因其独特的流体外形布局,具有更好的流体动力特性。但设计出具有优秀水动力性能的翼身融合水下滑翔机外形较为困难,因此开展翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究工作具有十分重要的意义。开展基于自由变形(FFD)的翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究,以FFD参数化方法为核心,与CFD求解器、优化算法、网格变形方法相耦合,组成了完整的自动外形优化设计框架,并用该框架开展了翼身融合水下滑翔机外形优化设计工作。以翼身融合水下滑翔机下沉和上浮一个工作周期的平均阻力系数为目标函数,在考虑体积约束的条件下开展外形优化设计,优化结果表明翼身融合水下滑翔机的滑翔性能得到了明显提升。     

试论气轨上的阻力对实验的影响

本文通过分析气垫导轨（简称气轨）的水平与滑块的运动之间的关系，证实了气轨的水平不仅和滑块的运动速度有关，而且还和滑块的运动方向有关。     

基于双层协调体系的多圆碟形AUG路径规划

为研究海流干扰和水下碍航物影响下欠驱动圆碟形水下滑翔机集群的三维路径规划问题。本文根据圆碟形水下滑翔机的设备配置和工作特点，建立了相应的能量消耗模型。提出了一种基于全局与局部双层协调的三维路径规划体系，采用最小一致偏差法完成了能耗最优目标下多圆碟形水下滑翔机的全局路径规划。根据避碰原则预测出全局路径中存在的航行危险碰撞区域，基于人工势场法进行局部路径规划，避免了滑翔机与碍航物以及不同优先级的滑翔机之间发生碰撞。仿真结果验证了所提基于双层协调体系的多圆碟形水下滑翔机三维路径规划方法的有效性。     

飞翼式水下滑翔机的性能分析与控制策略优化

相比传统的水下滑翔机,飞翼式水下滑翔机具有更高的滑翔效率,但存在诸多技术难题,值得深入研究.基于以上技术背景,本文探讨了飞翼式水下滑翔机的滑翔性能分析和垂直面运动控制设计问题.建立垂直操纵面的动力学方程,解算水下滑翔机平衡条件下的运动状态,预报飞翼式水下滑翔机的运动性能.针对其操纵性和稳定性较差的特点,设计一个跟踪微分...     

核电平台的下沉过程分析及安全下沉时间计算

为了研究浮动核电平台因事故破损沉没而引出的安全下沉问题,需要计算下沉速度和时间以保证反应堆安全停堆。本文根据浮动平台下沉过程的特点,将其分为水面下沉和水下下沉两个阶段。根据稳性公式和伯努利方程,给出了水面下沉阶段下沉速度和时间的计算公式;依据潜艇下潜原理,由运动微分方程得到水下下潜阶段的下沉速度表达式。综合两个阶段,最终得到完整下沉过程的速度和时间的计算方法,并分析了下沉过程的影响因素。计算结果表明:破口位置和破口面积对水面下沉阶段的影响较大,而对水下下潜阶段影响较小;水面下沉阶段所用时间较水面下潜时间长,在此阶段应及时采取应急处理措施。     

水下滑翔机李雅普诺夫稳定性分析

水下滑翔机作为一种新型的水下机器人利用了水平固定翼将净重力转换为前进驱动力,从而降低了水下机器人的功耗,在海洋科学研究、环境监测、资源探测和军事侦察等方面都具有广阔的应用前景。为了得到实际水下滑翔机稳定性与设计参数和控制参数之间的关系,将已建立的水下滑翔机一般数学模型应用于具体的实际水下滑翔机上。在此基础上将模型线性化,结合李雅普诺夫稳定性第一定理和第二定理,分析出水下滑翔机定常运动的动态稳定性随设计参数(初稳性高)和控制参数(姿态调节控制量)变化的规律。为水下滑翔机器人的设计和控制提供理论依据。     

基于VB 6.0对曲柄滑块机构的仿真

分析了曲柄滑块机构的运动特性,得出滑块坐标和速度的精确运动表达式,并用编程语言VB 6.0对曲柄滑块机构进行运动仿真,输出仿真图形和结果,直观地揭示了滑块的运动规律,为机构的动力分析和优化设计提供参考依据。这样的研究方法可以应用于各种机构的运动分析,对于教学和生产实践具有广泛的意义。     

基于H_∞-交叉耦合算法的双驱同步控制

针对大型双驱龙门机床中由于大质量滑块运动导致的参数不确定性和时变干扰,为了实现高精度同步控制,提出H_∞-交叉耦合同步控制算法.基于拉格朗日方程,建立能够反映大质量滑块运动的双驱龙门机床动力学模型.与现有的建模方法相比,动力学模型中的摩擦力模型能够反映大型龙门机床双驱间的机械耦合关系和大质量滑块的运动,可以更有效地描述具有大质量滑块的龙门机床双驱间的动力学特性.针对该动力学模型,通过基于混合灵敏度问题的设计方法,设计H_∞鲁棒控制器,抑制参数不确定性和时变干扰,并设计交叉耦合控制器,减小机床双驱间的同步误差.在某大型双驱龙门机床开展滑块不同运动速度下的双直线电机同步驱动实验.实验结果表明,提出的方法不仅在处理不确定性和时变干扰方面具有显著的效果,而且能够保证该机床高精度同步运动.随着滑块运动速度的提高,提出的H_∞-交叉耦合控制算法比传统的PID同步控制算法具有更好的动态性能.     

翼身融合水下滑翔机后缘舵流体特性研究

为提高翼身融合水下滑翔机的操纵性及稳定性,将后缘舵融入其外形设计,并进行了CFD数值仿真,给出了其升力、阻力、升阻比等水动力参数随攻角、舵角的变化规律及相关云图。相比于传统水下滑翔机,翼身融合水下滑翔机不仅装载能力高,其最大升阻比更是前者的3倍,具有更高的能源利用效率。同时,通过增设后缘舵,提升了翼身融合水下滑翔机的机动能力,且相较于可变翼水下滑翔机,相同大舵角下升阻比提升30%以上。最后通过对数值结果和云图的分析,阐述了翼身融合水下滑翔机与传统鱼雷及AUV,舵和本体间相互影响程度上的区别。