可著陸水下自航行器系統(tǒng)設計與動力學行為研究.pdf

1、作為有效的水下測量傳感器搭載平臺，水下自航行器(Autonomous underwater vehicle或AUV)在海洋環(huán)境監(jiān)測領域和海洋資源開發(fā)領域的應用前景愈加廣闊。但由于攜帶的能源有限，水下自航行器難以完成長期的海洋測量任務。為了實現(xiàn)長期監(jiān)測以獲得長時序海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文設計了可著陸水下自航行器。該自航行器具有水下著陸坐底功能，可以執(zhí)行長時間大航程的水下測量任務。為了實現(xiàn)著陸坐底功能，航行器外形結(jié)構(gòu)采用主體與多個附體相組合方式。

2、與傳統(tǒng)的流線型細長體水下自航行器相比，其外形與附體結(jié)構(gòu)更為復雜。為了在設計階段分析可著陸水下自航行器動力學行為，首先需要建立其動力學模型。針對所開發(fā)的可著陸水下自航行器，本文著重探討具有復雜附體結(jié)構(gòu)的水下自航行器的動力學行為與系統(tǒng)仿真，建立可著陸水下自航行器多體系統(tǒng)動力學模型，并對其著陸運動進行研究。最后，通過約束模型試驗和一系列的水域航行試驗，完整地實現(xiàn)了預期的設計功能，并且試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，驗證了本文分析和仿真的正確性。

3、 本文的主要研究成果為： 1.設計了可著陸水下自航行器原理樣機，實現(xiàn)了航行、著陸坐底、測量、上浮通信等功能。該水下自航行器的主要設計特點為：(1)在航行階段，將測量傳感器復用為多普勒計程儀，可有效地節(jié)約成本；(2)設計了壓載機構(gòu)和熔斷拋載機構(gòu)，實現(xiàn)了可著陸水下自航行器變浮力功能。 2.將多體系統(tǒng)動力學理論方法引入水下自航行器建模過程，建立基于多體系統(tǒng)動力學理論的水下自航行器動力學模型。為了減少計算量，采用基于低序體組的

4、多體系統(tǒng)矢量建模方法推導了可著陸水下自航行器的空間運動方程組。該模型主要優(yōu)點在于其方便性和精確性。首先，此模型中各體的物理和幾何參數(shù)可單獨估算和修改，避免了具有復雜附體結(jié)構(gòu)的AUV整體水動力參數(shù)估算困難的問題，便于AUV的設計和優(yōu)化，同時具有良好的適用性和通用性；其次，由于該模型詳細描述了各體的物理和幾何參數(shù)，能夠獲得良好的仿真精度。 3.基于水下自航行器多體系統(tǒng)動力學模型，對可著陸水下自航行器縱向運動和橫向運動的操縱性進行了分

5、析。通過仿真和分析得出三個結(jié)論。(1)可著陸水下自航行器壓載水艙位于主體側(cè)下方時航行器具有更高的穩(wěn)定性；(2)橫向運動操縱面布局要服從于縱向運動操縱面布局；(3)操縱面位置和尺寸優(yōu)化結(jié)果表明，可著陸水下自航行器的操縱面最佳位置為距離浮心1.3米處。 4.通過研究水下自航行器的著陸運動，提出采用四階段著陸軌跡實現(xiàn)水下自航行器的著陸任務，并計算出了該軌跡的幾何參數(shù)。該著陸軌跡充分考慮了可著陸水下自航行器的工作環(huán)境的具體要求，比如過載