水下机器人-毕业论文.doc

目 录 1 1 绪论绪论 1 1 1 研究意义 1 1 2 AUV 介绍 2 1 3 国内外 AUV 研究动态 2 1 4 动态仿真研究现状 3 1 5 本文主要研究内容 4 2 2 AUVAUV 总体设计和三维建模总体设计和三维建模 6 2 1 形体的选择 6 2 2 设计内容 6 2 3 三维建模 7 3 3 AUVAUV 的动力学分析的动力学分析 10 3 1 坐标系 10 3 2 定义运动参数 10 3 3 受力分析 11 4 4 推进器动态仿真推进器动态仿真 16 4 1 ADAMS 仿真 16 4 2 FLUENT 仿真 20 4 2 1 理论基础 20 4 2 2 仿真前期准备 21 4 2 3 FLUENT 数值模拟计算 23 5 5 总结总结 29 参考文献参考文献 30 致谢致谢 31 附图附图 32 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 1 页 1 绪论 1 1 研究意义 今天的人类正面临着人口 资源和环境三大难题 随着各国经济的飞速发展和世 界人口的不断增加 人类消耗的自然资源越来越多 陆地上的资源正日益减少 为了 生存和发展 人们必须寻找新的物质来源 海洋应当是首选 海洋是一个巨大的资源宝库 开发蓝色国土 拓展生存和发展空间 人类重返海 洋 将成为全球经济发展的大趋势 世界沿海国家和地区正在进入全面开发利用海洋 的新时期 美 俄 中 英 法 日 加拿大 韩 印度以及东盟诸国等 140 多个国 家相继制定海洋科技发展和海洋开发计划 采取具体措施加快抢占海洋科技的制高点 海洋开发已成为全球产业进步的重要标志 海洋经济已成为全球经济发展的重要增长 点 海洋是强国之本 谁掌握了海洋 谁就掌握了经济发展的未来 没有强大的海洋 科技事业 没有强大的现代海洋经济 就不可能成为真正的经济强国 我国是海洋大 国 但不是强国 人均占有陆地面积和资源量都远远低于世界平均水平 研究开发利 用海洋是顺应世界海洋开发大潮 为了推动海洋经济持续快速的发展 科技部 国家 计委 国家海洋局 农业部联合推出了 科技兴海 计划 中国海洋 21 世纪议程 把 科教兴海 作为海洋经济可持续发展的重大意义的战略选择 海洋经济的开放性 和带动性 强渗透力 宽辐射 可以拓展新的经济增长空间 优化经济结构 建立开 放型特色经济 促进我国更快走向世界 对实现中华民族的伟大复兴具有重要政治经 济意义 21 世纪是人类向海洋进军的世纪 深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之 一 已经成为各国的重要战略目标 也是近几年国际上激烈竞争的焦点之一 水下机 器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙 空间中的作用 然而水下机器人如果直接进行海试或湖试 则需要承担极大地风险 由此计算机 仿真应运而生 仿真系统提供一种有效的试验来检验系统和设计 这种试验可以为设 计者 使用者和购买者揭示和预测一些有价值的信息 仿真系统有助于使各系统和子 系统之间的协调 另外 仿真系统可以模拟各种场景 用于各种操作训练 节约实地 训练的费用 最大限度地降低训练风险 通过 ADAMS MATLAB 建立仿真模型 可以实现 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 2 页 对其控制路径的模拟 降低试验风险 在海底工作的动力来源就是推进器 所以通过 对推进器的流体仿真 研究其所受的的阻力以及叶片周围流体所受的压力变化 对于 AUV 的运动控制的精确性具有极大的指导意义 1 2 AUV 介绍 当前水下机器人的种类很多 其中载人潜器 有缆潜器 ROVs 和自治水下机器人 AUVs 是三类最重要的潜器 自治水下机器人 AUVs 是英语 自治水下潜器 Autonomous Underwater Vehicles 的缩写 AUVs 不配备主缆和系缆 因此它又称为无人无缆水下机器人 Unmanned Untethered Vechiles 缩写 UUVs 这类水下机器人携带能源 依靠自身的自治能力来 管理自己 控制自己 以完成赋予它的使命 自治水下机器人也就因此得名 由于微 电子技术 计算机技术 人工智能技术 导航技术的飞速进展 再加上海洋工程和军 事活动的需要 国外产业界和军方再次对无缆水下机器人发生了兴趣 许多研究表明 无缆水下机器人是一种非常适合于海底搜索 调查 识别和打捞作业的既经济又安全 的工具 与载人潜水器相比较 它具有安全 无人 结构简单 重量轻 尺寸小 造 价低等优点 而与 ROVs 相比 它具有活动范围大 潜水深度深 不怕电缆缠绕 可进 入复杂结构中 不需要庞大水面支持 占用甲板面积小和成本低等优点 11 1 1 3 国内外 AUV 研究动态 海洋机器人在过去几十年间为世界各国的海军 石油开发和救援打捞开辟了崭新 的活动领域 用这种高度计算机化 有的已开始了不需要人进行控制的机器人进行探 索海底 可提供关于海底的大量数据 当今世界各国的一些主要的海洋研究中心倾注 很大的精力正在研制或使用数十种可深潜的海底机器人 在技术方面 美国的水平领 先于世界 欧洲各国其次 而日本要落后于美国和欧洲 这些机器人的造价与载人潜 水器相比 造价低得多 但更加安全 而且可长时间在压力很大的海底工作 从上世 纪 90 年代中期以来 自主式水下航行器 AUV 在海洋科学调查以及军事领域得到越来 越广泛的应用 截止到 2005 年 世界上共研制了约 70 艘 AUV AUV 已经多次成功地应 用于海底石油与天然气 天然气水合物 大洋多金属结核和热液硫化物矿床等海洋矿 产资源的探测 AUV 的最新应用主要体现在水雷搜索 冰下探测以及水下作业中 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 3 页 目前 美国在开发工作方面正朝着无缆预编程式 即自主式 海底机器人的方向发 展 在过去的 20 年里 全球各主要国家所研制的 AUV 其中美国占了一半 就其性能 而言 应数美国海军的水下搜索系统 AUSS 和新罕布什尔州大学的小型 AUV 即试验性 的自主式 EAVEEAST 主要用于水下管道和平台的检查 美国 AUV 的研究和开发经费 90 来自国防部的财政支持 主要通过国防高技术研究 项目局 DARPA 和海军有关部门给予拨款 早在 1988 年 国防高技术研究项目局提出 了开发既像无人潜水器 UUV 那样自由浮游 又像登陆艇那样能离开水域进入内陆的两 栖性自主式机器人 美国海军控制和海洋监测中心于 1983 年推出了先进的自主式无人 搜索系统 AUSS 本系统的外形尺寸为 510cm 75cm 有效负荷不定 系统用银锌电池 作为动力源 系统配置了侧扫声纳 前视声纳 35mm 静物照相机 CCD 水下摄像机 导航系统由多普勒声纳 先进的精密陀螺仪和周期性更新的水声通道组成 水面母船 借助 LBL 发射应答网执行跟踪任务 现在 AUSS 为第二代先进的作业型自主式海底机器 人 潜航深度 6000m 用于评价深海海底搜索技术和执行深海海底搜索作业使命 近年来我国政府十分重视 AUV 的发展 投入了较大的人力和财力 在 20 世纪 90 年代我国 AUV 的研制取得了重大突破 典型代表有 探索者 号 1000 米无人无缆遥控 潜水器和 CR 01A 6000 米无人无缆遥控潜水器 自主式无缆海底机器人是国家 863 高技术发展计划支持项目 由中国科学院沈阳自动化研究所 声学研究所 中国船舶 工业总公司 702 所 哈尔滨工程大学 上海交通大学等单位联合设计研制的 探索者 号自主式无缆海底机器人 是以大范围搜索 观察水下 1000m 或 6000m 失事目标为主 要使命特征的 我国在军用 AUV 的研究中也取得了很好的成绩 研制出三型军用智能水下航行器 其试验平台 智水 II 号 于 1995 年夏进行了湖试 在自主导航 自主避障和自主简 单作业等方面取得了成功的试验验证和宝贵的试验数据 此外 北京航空航天大学目前正致力于仿生机器鱼的研究 已研制出多种形式的 仿生机器鱼 为水下航行器新型推进器技术和新型结构的研究 奠定了良好的基础 2 1 4 动态仿真研究现状 机械系统动力学仿真分析技术首次出现于 1980 年前后 作为一门新兴技术 它最 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 4 页 初被应用在汽车 铁路等领域中 Woongsang 等以提高汽车的稳定性和控制能力为目标 进行汽车四轮定位系统研究 由于此前研究都是采用简化模型 使用二维结构或以自 行车代替 测得的数据很不可靠 后来随着分析手段的提高 动力学仿真分析技术开 始大量地应用于空间科学 石油 机器人等领域 NOEL 通过在动力学分析软件中建立 分析和优化模型 得到了飞机起落架的动态性能 Arenz 等针对 goliath 移动机器人模 型 利用 ADAMS ANSYS 和 MATLAB 三者联合进行了动力学分析 并针对 goliath 移动 机器人控制算法进行研究 然后在动力学仿真软件中加以检验 随着水下机器人应用领域的不断的扩展 水下机器人正朝着复杂化 多功能化方 向发展 AUV 正是一个由多个系统组成的复杂大系统 它包括载体系统 通讯系统 导 航系统 传感器系统 声纳系统 能源系统 推进系统和智能控制系统 这不仅增 3 加了 AUV 各系统之间集成的难度 也使得 AUV 整体性能验证和评价成为一件困难的事 情 由于 AUV 的复杂性 智能控制的局限性和环境感知的低能 因此 AUV 可靠性 稳 定性和自主能力在没有得到确切的验证之前 对 AUV 进行海上实验是有很大的危险性 另一方面 由于海洋环境复杂 危险 在海上进行水下实验 除了没有安全性之外 还有实验成本高 周期长的缺点 因此 AUV 整体性能验证和评价已经成为 AUV 发展的 瓶颈 而建立 AUV 实时仿真系统是解决这个瓶颈问题的有效途径 控制系统仿真是控制技术人员在开发控制系统时所经常使用的 通常基于简化的 被控系统模型 构建控制系统 设计控制算法 然后利用仿真分析被控系统的性能 如导弹的反应时间 跟踪精度等 12 4 1 5 本文主要研究内容 借鉴国内外较为先进的 AUV 采用母型设计法 对其外形和部分机构进行改进 使 其在达到总体性能要求的同时 尽量减小其体积和降低生产成本 在用 SolidWorks 完 成三维造型设计之后 在 ADAMS 中进行仿真分析 建立简单的控制系统 然后在利用 流体仿真软件 FLUENT 对推进器进行流体分析 计算不同转速下推力情况 具体内容如 下 第一章 绪论 本章论述了研究 开发 利用和保护海洋的重要性和迫切性 概述了水下航行器 的发展和应用状况 分析了国内外 AUV 的研究现状与趋势以及现阶段对动态仿真的研 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 5 页 究 明确了本文研究的任务 意义和主要内容 第二章 AUV 总体设计和三维建模 本章主要是论述了 AUV 的总体设计及形体选择原则 根据二维图纸进行三维建模 对主要零件进行功能分析 并简要阐述了所研究对象的主要参数及工作环境 第三章 AUV 的动力学分析 本章为研究机器人总体的运动分别建立了地面坐标系和体坐标系 定义了各运动 参数 对海底机器人的运动过程 给出了其各方向的受到的合力及力矩方程 并给出 了其轨迹方程 由于部分参数需经过海试得出 故此只给出计算公式 第四章 AUV 动态仿真 本章是本文的重点 主要是从两个方面对推进器进行动态仿真 一方面是基于 ADAMS MATLAB 进行动态仿真 建立控制模型 另一方面则是利用 FLUENT 对推进器进行 流体仿真 分析不同转速时叶片所受到的压力情况以及所产生的推力变化 第五章 总结 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 6 页 2 AUV 总体设计和三维建模 水下机器人是一种具有人的一部分或大部分功能 能够在海洋环境下代替人进行 某种作业的自动控制装置 通常是依靠电缆提供的动力 有缆水下机器人 或自身携带 的能源 无缆水下机器人 驱动载体上装有的推进器在水下作三维运动 并可装设照明 摄像 声纳等观测设备 多种传感器及用来完成某种作业的机械手和作业工具 由于海洋开发所需从事的项目内容非常多 实施的作业也极富多样性 因此 水 下机器人的系统构成 形体 总体布置都不尽相同 虽然有许多国家都在研制和生产 水下机器人 但每种水下机器人都没有进行批量生产 因此 目前还没有一个完善的 设计准则 但在水下机器人结构方面己有一些成功的经验 可供设计水下机器人结构 时作参考 水下机器人外形结构设计所涉及的因素很多 主要包括以下几个方面 水下机器人 形体的选择 耐压壳体的设计 推进器的布置 水密接插件 重心和浮心的计算和整 体平衡的考虑 2 1 形体的选择 AUV 外形设计是 AUV 总体综合优化设计的重要组成部分 并直接关系到 AUV 的诸多 战术技术性能 AUV 外形设计技术是研究开发新型 AUV 的必不可少的一项基础技术 5 水下机器人根据使用目的和技术要求的不同 其外形尺寸 结构形式都有很大差异 一般情况下 形体的选择要考虑以下原则和要求 6 1 阻力小 航行性能好 2 足够的强度 3 便于总体布置 4 良好的工艺性 2 2 设计内容 本文所研究的水下机器人驱动装置来源于 5 个推进器 推进器是由 24V 400W 的 直流电机带动 由控制系统对五个推进器进行转速调整以控制机器人的上升 下潜 旋转等功能 实现机器人的姿态调整 高压舱内安装有探测及发射装置 控制系统等 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 7 页 设备 本课题所设计的对象包括两个高压舱 五个推进器 两个声纳 一个大声纳 一 个小声纳 以及起支撑作用的框架 该 AUV 在海水中航行时为中性 即重力与浮力相等且主体的轴线呈水平 海底机 器人航行到达预定水域后 推进器停止工作 在完成工作任务后 又通过推进器的作 用完成返程 2 3 三维建模 三维建模的基础就是二维图纸的设计 三维建模成功与否在很大程度上决定于零 件和装配的设计精度 所以在完成设计工作时 应该在满足强度要求的前提下 根据 装配关系进行零件设计 完成整体分析后 先由 AutoCAD 完成了设计的装配图 零件图 确定各部分尺寸 然后开始用 SolidWorks 建模 所设计的三维图主要包括 1 高压舱 如图 2 1 主要由高压舱盖 舱体 高压球舱盖三部分组成 共有 2 个 每个高压舱由两个 卡箍固定于框架之上 材料选用 6063 合金 该材料主要合金元素是镁和硅 具有极佳 的加工性能 优良的可焊性 电镀性 良好的抗腐蚀性 韧性 阳极氧化效果优良 图 2 1 高压舱 2 框架 如图 2 2 支撑作用 上面固定有高压舱 推进器 声纳等 是由 35 2 的钢管焊接而成 上面有 8 处配焊 作用是固定卡箍 框架要先进行密封性试验 在海底工作时 钢管 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 8 页 内部充满氮气 抵消部分海水压力 防止其在海底工作时发生变形 图 2 2 AUV 框架 3 推进器 推进器作为整个 AUV 动力来源 共有两种 一种是水平推进器 共两个 另一种 是竖直推进器 共三个 通过推进器固定架将其固定于框架之上 各个推进器独立工 作 相互协作实现对整个 AUV 姿态的控制 推进器上固定有导流罩 主要作用就是在 运动中对迎面而来的海水阻力进行分割化解 从而达到降低阻力的效果 4 声纳 声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测 定位和通信的电子设备 是水声 学中应用最广泛 最重要的一种装置 它是该海底机器人主要的探测装备 包括大小 声纳各一个 分别安装在 AUV 前端的上下部位 所设计的三维模型如图 2 3 所示 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 9 页 图 2 3 AUV 总装图 大声纳 框架 竖直推进器 高压舱 小声纳 卡箍 水平推进器 此 AUV 重 208kg 总排水量 206L 长 1500mm 宽 1240mm 高 920mm 工作深度为 800m 压强约为 8MP 温度约为 2 正常工作时的速度 2m s 主要用于深海探测 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 10 页 3 AUV 的动力学分析 对 5 自由度 AUV 的动力学与运动控制进行研究 应该考虑重力 浮力 推力以及 水动力的影响 建立水下机器人的动力学模型 对机器人的复杂水下动力学行为进行 描述 研究水动力的意义 一是从操纵性的角度研究水下机器人载体的稳定性和快速型 另一方面在设计控制系统时需要考虑水动力的影响 以便建立 AUV 的数学模型 3 1 坐标系 为便于研究 AUV 的运动 数学建模与控制 需建立两个正交坐标系 先建立地面 坐标系 E 作为静坐标系 E 为海平面一点 以海平面出发点为原点 E E 为水平面如图 3 1 所示 E x G z y 图 3 1 静坐标系 动坐标系 另外为了便于分析 AUV 还要建立载体坐标系即动坐标系 它与海底机器人固定在 一起 Gx 与其轴向一致 Gy 指向右舷方向 如图 3 1 所示 本课题所研究的对象在海底的运动是 5 自由度的空间运动 包括沿 x z 轴的平动 和绕 x y z 轴的转动 由 5 个推进器来实现 3 2 定义运动参数 V 机器人重心 G 的空间速度矢量V在水平面内的投影 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 11 页 V 机器人重心 G 的空间速度矢量V在纵垂直面内的投影 u v V 在水平面内沿 Gx Gy 方向的分量 u w V 在 Gx Gz 方向的分量 p q r 沿 Gx Gy Gz 轴的角速度 横倾角 Gy 轴和 E 轴间的夹角 纵倾角 Gx 轴和 E 轴在纵垂直面的夹角 艏向角 Gx 轴和 E 轴在水平面的夹角 3 3 受力分析 为了设计 AUV 的控制系统 首先需要建立机器人的动力学模型 在水下运动的机 器人系统是一个非线性的动力学系统 需要确定的参数较多 由于技术和测试条件的 限制 有些参数无法准确测定或者无法测定 为了控制的需要 有必要对系统进行必 要的简化 而只考虑对系统性能起主要作用的影响因素 这里主要考虑重力 浮力 推力和水动力对机器人的影响 1 AUV 在水中所受的合外力可用下式表示 1 F n Fi i FBPT 注 该方程为矢量方程 为矢量和 3 1 其中 F F 作用在 AUV 上的水动力 B AUV 的浮力 P AUV 的重力 1 n i i T 所有推进器推力之和 i T 第 i 个推进器的推力 n 推力器的总数 该处为 n 5 AUV 所受的合外力矩方程 1 n FBPTi i MMMMM 注 方程为矢量方程 3 2 F M B M P M 1 n Ti i M 分别为水动力 浮力 重力以及推进器推力所产生的力 矩 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 12 页 2 力学分析 1 推力 3 3 24 T Tn D K n 转速srad D 螺旋桨直径 113mm 推力系数 经验值 T K 海水密度 1030 3 mkg 2 轴向力方程 3 4 22 422 3 2222 1 2 1 2 1 2 sin ggg qqrrrp vrwq u uuvvww x m u vrwqxqrypqrzprq LX qX rX rp LX uX vrXwq LX uX vXw TPB 等号左边描述了水下机器人合力作用下的运动规律 右边第一项和第三项分别是 角速度和速度引起的非线性水动力 第二项是惯性水动力 第四项是推力 第五项是 重力和浮力 3 侧向力方程 3 5 22 4 3 1 3 22 2 1 2 2 22 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ggg pqqrp p rp vqwPwr v rpv r vyv v m v wpuryrpzqrpxqpr L Y r Y p Yp pY pqY qr L Y v Y vqY wPY wr v L Y urY upYvwr v L Y uY uvY v vwT 2 cos sin vw LY vwPB 4 垂向力方程 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 13 页 22 4 2 2 3 1 3 22 2 1 2 2 22 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 ggg pprrrq q vrvp w qwq www www m w uqvpzpqxrpqyrqp L Z q ZpZ rZ rq L Z w Z vrZ vp w LZ uqZvwq w LZ uZ uwZw vw LZ u wZw v 1 22 2 2 2 1 cos sin 2 zvw w TL Z vPB 5 摇力矩方程 纵力矩方程 偏航力矩方程 3 7 5 4 4 1 3 2 22 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 p xxxxyygg pqqrp p r pr v vqwpwr vv v v IpIIqrm yw vpuqzv urwp LK rKpKp pKpqK qr LK vK upK ur LK vqKwpK wr LK uK uvKv vw L K cos sin wTx vwphM 3 8 5 4 1 4 22 2 1 3 2 22 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 p yyxxzzgg pqqrp p r vrvp w qw p www IqIIrpm zuwpvrxw vpuq LK rKpKp pKpqK qr LM w M vrM vp LM uqMvwq LM uM uwMw vw 1 3 22 2 2 sin www Ty LM u wMw vw phM 3 6 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 14 页 3 9 5 4 1 4 22 2 3 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 p zzyyxxgg pqqrr r r vqwPwr v rpv r vv v IIIpqm xv urwpyuwqvr LN rNpNr rNpqN qr LN vN vqNwPN wr v LN urN upKvwr v LN uN uvNv v 1 2 2 3 1 2 vwTz w L N Y vwM 式中为推力在坐标轴 x y z 上的投影 为 x y z 轴的推力 x T y T z T Tx M Ty M Tz M 矩 6 根据运动学知识可以将水下机器人姿态角与运动坐标系中角速度的关系可以 表示为 3 10 sincospqtgrtg 3 11 cossinqr 3 12 sincos cosqr 7 水下机器人重心与动坐标系原点重合 水下机器人的运动轨迹 cos cos cossinsinsincos cossinsinsinsin sincos sinsinsincoscos sinsincoscossin sincos sincoscos go go go uvw uvw uvw 8 有海流 海流速度为 U 时则水下机器人相对于海流的速度为 x u y u z u 3 14 x u u Rx V 3 15 y v u Ry V 3 16 z w u Rz V 3 13 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 15 页 若考虑海流作用时 用相对海流的速度代替前面公式中的速度即可 本章为研究机器人总体的运动分别建立了地面坐标系和体坐标系 定义了各运动 参数 对海底机器人的运动过程 给出了其各方向的受到的合力及力矩方程 并给出 了其轨迹方程 由于部分水动力参数需经过海试或湖试才可以得出 故此只给出计算 公式 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 16 页 4 推进器动态仿真 AUV 按使命要求在水下平稳地航行是其完成各种任务的基础 要想保证机器人平 稳地航行 选择正确的控制方法是至关重要的 尽管现在有许多控制方法可以实现对 潜器的航行控制 但对于实际应用来说 在满足项目要求的情况下 应选取既可行又实 用的方法 7 本文在完成 AUV 的三维设计后 用动态仿真软件 ADAMS 对单个推进器进行动态仿 真 建立正确的控制系统 然后再利用 FLUENT 对单个推进器进行仿真 实现对螺旋桨 叶片转速与推力的分析 推进器模型如图 4 1 所示 图 4 1 推进器模型 4 1 ADAMS 仿真 仿真的基本思路主要是针对单个推进器进行仿真 验证控制系统的准确性 在 ADAMS 中建立底层控制 AUV 的底层控制 AUV 的控制系统包括底层控制和高层控制 高层控制是由计算机软件来完成 底层 控制主要由硬件组成 包括执行机构和传感器 这部分是其基础 水下机器人的底层控制主要包括 13 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 17 页 1 水下机器人的航行控制 2 作业工具控制 3 传感器控制和信号控制 本文主要完成第一个问题即航行控制 其主要参数是深度 高度 航行速度 航 向角和位置等 为了简化计算和便于仿真 本课题将采用典型的 PID 调节器作为闭环 系统的控制器进行深度控制 该 AUV 采用推进器作为动力和控制部件 1 推进器布置如图 4 1 1 x z G y T1 T2 T3T4 T5 图 4 1 1 推进器布置简图 2 自动定深回路 图 4 1 2 体现了定深回路的控制框图 i D 图 4 1 2 深度控制框图 图中 o D 为深度输出 i D 为深度输入 典型的 PID 调节器闭环控制方程 0 t ycpioiiodio d MKDDK DD dKDD dt p K i K d K 为调节器系数 3 对单个推进器进行单自由度仿真 沿 y 向的平动 1 施加约束 重力 螺旋桨产生的推力 根据推进器的运动由 ADAMS 自动调节 PID 推力分配载体 深度计 o D 4 1 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 18 页 阻力 vv10 输入 推力 tl 输出 位移 weiyi 速度 sudu 推进器的设定位置 距推进器位置 3m 处 2 在 MATLAB 中建立 PID 控制 图 4 1 3 所示为控制图 图 4 1 3 MATLAB Simulink 控制图 设定 P gain 200 I gain 25 D gain 100 通过 ADAMS MATLAB 联合仿真得到仿真曲线 1 位移曲线 如图 4 1 4 稳定振幅 0 02m 图 4 1 4 位移曲线 2 速度曲线 如图 4 1 5 位移 m 时间 s 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 19 页 稳定振幅 0 3m s 图 4 1 5 速度曲线图 此控制系统能使推进器在允许误差范围内到达预定位置 所以该 PID 控制是正确 的 控制方法是实用的和有效的 为了使控制效果更为理想 可以通过改变 PID 系数 的值得到 采用单一变量法进行分析 如表 4 1 1 表表 4 1 14 1 1 不同不同 PIDPID 参数对比参数对比 PID 位移振幅 m 速度振幅 m s 200252000 020 35 第一组 200254000 020 3 2002002000 0360 58 第二组 2001002000 0280 4 400252000 0250 55 第三组 100252000 020 2 最初 200251000 020 3 通过减小微分参数可以减小位移和速度的振幅 增加比例环节可以适当的减小到 达预定位置的位移 但通过曲线可以看出影响不是非常明显 所以通过比较选定 PID 的参数分别为 100 25 200 生成的仿真曲线速度振幅 0 2m s 位移振幅 0 02m 速度 m s 时间 s 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 20 页 4 2 FLUENT 仿真 对单个推进器进行 FLUENT 仿真 主要是研究其叶片在给定转速时叶片上的压力分 布 叶片表面的速度矢量分布以及分析叶片在旋转时所产生的阻力等 对进一步研究 AUV 的海底控制有一定的指导意义 4 2 1 理论基础 1 流体流动要受物理守恒定律的支配 基本的守恒定律包括 质量守恒定律 动 量守恒定律 能量守恒定律 如果流动处于湍流状态 系统还要遵守附加的湍流输运 方程 8 质量守恒方程 4 2 0 u t 式中 是流体密度 t 是时间 u 速度矢量 动量方程 4 3 pf dt du 式中微元表面粘性应力 p 为流体微元体上的压力 能量守恒方程 4 4 qqup dt de 式中 e 表示内能 q 交换热量 状态方程 0 Tqpf 内能公式 Tpee 傅立叶热传导公式 式中 K 为导热系数 4 5 TKq 2 静压 动压 总压 4 6 gHgzp 2 2 1 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 21 页 静止的流体所具有的压强即为静压强 简称静压 是因流体运动而产生的压 2 2 1 强 称为动压强 即动压 为总压强 即总压 gH 9 关于 FLUENT 中所涉及的边界压力说明 operatinggaugeabsolute ppp 等号左侧为绝对压强 右侧第一项为表压强 第二项为操作压强 本文的操作压 强为 8MP 3 k epsilon 2eqn 模型 标准的模型是最基本的二方程模型 k 湍动能 epsilon 耗散率 k 动力学湍流粘度定义为 2 k C i 式中为无量纲常数 C 标准模型 的运输方程 kk 8 4 7 kMbk jk i ji i SYGG x k xx kU t k 4 8 S k CGCG k C xxx U t bk j i ji i 2 231 其中 是由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项 是由于浮力引起的湍 k Gk b G 动能的产生项 代表可压湍流中脉动扩张的贡献 为经验常数 k M Y 1 C 2 C 3 C 分别是与湍动能和耗散率对应的普朗特数 是用户定义的源项 k k k S S 标准模型中的五个可调常数值为 k 0 09 1 00 1 30 1 44 1 92 对于可压流体的流动计算中与 C k 1 C 2 C 浮力有关的系数 当主流方向与重力方向平行时 取 1 当主流方向与重力方向垂 3 C 直时 取 0 4 2 2 仿真前期准备 GAMBIT 前处理 网格划分 用 CFD 计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics 简称 CFD 方法进行 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 22 页 流场计算时 首先要将计算区域离散化 即划分网格 网格是 CFD 模型的几何表达形 式 也是模拟与分析的载体 计算网格的好坏直接影响到数值计算的可行性 收敛性 以及计算精度 主要过程 首先将推进器三维模型导入到 GAMBIT 中 建立计算域 选择 FLUENT5 6 求解器进行网格划分 设置边界条件 输出网格 1 建立流体区域 首先将 SolidWorks 生成的推进器模型导入 GAMBIT 中 根据推进器的高度和叶片 的直径建立半径为 120mm 高为 60mm 的圆柱体区域 通过布尔差运算建立最终的流体 区域 2 网格划分 设定网格单元为 Tet Hybrid 网格主要由四面体组成 个别位置可以有六面体 锥体或楔形体 选择 TGrid 混合网格类型 制定在边界上分点时所用的间隔长度为 5 即 Interval size 5 图 4 2 1 所示为网格划分图 图 4 2 1 网格划分图 spacing 5 3 设定边界类型 1 选择 FLUENT5 6 求解器 2 指定边界类型 叶片类型为 WALL 包括叶片前面 叶片后面和端面 名称分 别为 ypqian yphou 和 ypduan 轮毂的类型为 WALL 名称为 lungu 进口面的类型为 pressure inlet 名称为 inlet 出口面的类型为 pressure outlet 名称为 pressure outlet 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 23 页 4 2 3 FLUENT 数值模拟计算 1 FLUENT 求解步骤 10 1 创建几何模型和网格模型 在 GAMBIT 前处理软件中完成 2 启动 FLUENT 求解器 3 导入网格模型 4 检查网格模型是否存在问题 5 选择求解器及运行环境 6 决定计算模型 即是否考虑热交换 是否考虑粘性 是否存在多相等 7 设置材料特性 8 设置边界条件 9 调整用于控制求解的有关参数 10 初始化流场 11 开始求解 12 显示求解结果 13 保存求解结果 2 数值计算 数值计算是将描述物理现象的偏微分方程在一定的网格系统内离散 用网格节点 处的场变量值近似描述微分方程中各项所表示的数学关系 按一定的物理定律或数学 原理构造与微分方程相关的离散代数方程组 引入边界条件后求解离散代数方程组 得到各网格节点的场变量分布 用这一离散的场变量分布近似代替原微分方程的解析 解 1 计算模型 选择分离式求解器 segregated solver 该求解器主要顺序地 逐一地求解个 方程 2 粘性模型 选择 k epsilon 2eqn 模型 使用标准 k 双方程模型进行湍流计算 使用标 准的近壁函数 模型参数 0 09 mu C44 1 1 epsilonC92 1 2 epsilonC 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 24 页 TKE prandtl number 1 TDR prandtl number 1 3 3 工作环境 海底 800m 工作压力 8MP 海流静止 温度 2 4 边界条件设置 设定进出口流体旋转轴为 y 轴 进口流体的相对压力边界条件为 0MP 速度初始条 件为海流静止 出口流体的初始条件与进口流体一致 叶片壁面 包括 ypqian 和 yphou 为静止壁面 stational 计算域流体设为动网格 moving mesh 旋转轴为 y 轴 5 残差收敛条件 convergence criterion continuity 0 001 x velocity 0 001 y velocity 0 001 z velocity 0 001 k 0 001 epsilon 0 001 6 设置 3 个监视器 monitor 1 监测前叶片静压变化情况 报告类型为 area weighted average 监 测表面为 ypqian monitor 2 监测后叶片静压变化情况 报告类型为 area weighted average 监 测表面为 yphou monitor 3 监测进出口质量流量平衡 报告类型 report type 为 mass flow rate 检测表面为 pressure inlet 和 pressure outlet 3 仿真运算 1 叶片转速为 300rpm 迭代次数 iteraion 100 通过迭代计算可以得到 a 残差历史 continuity 1 9033e 04 x velocity 9 2473e 04 y velocity 9 8468e 04 z velocity 8 6589e 04 k 5 0959e 04 e 9 8342e 04 满足残差收敛条件 残差历史曲线如图 4 2 2 所示 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 25 页 图 4 2 2 残差历史 b 质量流量平衡曲线 Mass Flow Rate 刚开始时急剧上升最大时到达 20kg s 左右 主要由于刚开始旋转 时海流波动较大 经过 100 次迭代后 质量流量逐步降为 2 0131e 03kg s 并在其附 近波动 基本保持平衡 小于设定的收敛值 即达到了预期效果 通过后处理过程可 以得到 进口流量 pressure inlet 7 3810244kg s 出口流量 pressure outlet 7 379024kg s 净流量 net mass flow 0 0020003319kg s 质量流量曲线如图 4 2 3 图 4 2 3 质量流量平衡 c 阻力系数变化曲线 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 26 页 如图 4 2 4 由曲线可以看出 在转速为 300rpm 时 开始时由于叶片处于静止的 海流中 所以阻力系数波动较大 后来逐步趋向于稳定 稳定值为 0 15 阻力 d C d C 系数的变化直接反映了阻力的变化 稳定时阻力并不是很大 图 4 2 4 阻力变化曲线 d 监测叶片前后面静压变化 通过监测叶片前后面可以得到此时前后面的静压情况 进而可以分析产生的推力 ypqian 静压稳定值为 1 5872e 03pa yphou 静压稳定值为 9 2495e 02pa 压差 2512 15pa 推力 p 589 11312 0 14 3 15 2512 2 NpsF 静压变化曲线如图 4 2 5 和图 4 2 6 图 4 2 5 yphou 静压曲线 图 4 2 6 ypqian 静压曲线 e 利用 FLUENT 3D 进行后处理 在后处理阶段 可以得到静压等高线图 如图 4 2 7 max 6150pa min 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 27 页 2380pa 和速度矢量图 如图 4 2 8 max 4 201029m s min 0 00999315m s 4 2 7 叶片静压等高线分布图 4 2 8 速度矢量分布图 通过图像可以看出叶片的前后面有明显的压差 这也是推进器推力的来源 也可 以看出在叶片的边缘速度比较大 叶片的连接处压力较大在高速旋转时会降低其使用 寿命 也容易造成损坏 从而会对整个 AUV 的定位等产生影响 加大定位误差 也会 在一定程度上造成测量结果的精度降低 2 下面分别将转速设为 400rpm 500rpm 600rpm 800rpm 和 1000rpm 对比其 阻力系数及叶片前后面静压 速度 质量流量的变化 静压和速度矢量变化趋势与转 速为 300rpm 时类似 这里不再给出图像 只给出关键值 如表 4 2 1 所示 图 4 2 9 给出了转速和推力之间的关系曲线 可以直观的看出二者的关系 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 28 页 图 4 2 9 叶片推力与转速关系曲线 表表 4 2 14 2 1 阻力系数 流体速度 静压对比阻力系数 流体速度 静压对比 叶片转速 rpm 3004005006008001000 阻力系数 d C 0 150 20 250 40 751 min9 993e 32 419e 24 484e 23 422e 23 115e 21 184e 1 叶片 流体 速度 m s max4 2015 6867 1748 65911 74815 138 inlet 7 381 12 203 17 178 27 148 39 227 62 727 outlet7 37912 20117 17427 19339 22562 736 质量 流量 kg s net 2e 3 2 348e 3 4 387e 3 1 846e 3 2 155e 3 9 789e 3 ypqian 1 587e 3 2 603e 3 3 952e 3 4 627e 3 7 320e 3 9 695e 3 yephou9 250e 21 474e 32 164e 32 107e 32 705e 31 897e 3 叶片 静压 pa p 2512 154077611667341002511592 推力 N ps 113 589184 346276 541304 485453 290524 144 由表 4 2 1 可以从质量流量的结果看出 随着转速的增加 质量流量损失不断增 加 但在误差允许范围以内 总体而言 所建计算域是符合质量守恒定律的 根据阻 力和推力值 可以明显地看出 随着转速的不断增大 阻力系数不断增大 这意味着 阻力不断增大 同时 叶片旋转时 流体各处的速度大小不一 造成海水压强的变化 叶片前后面间产生压差 利用压差推进器得以向前运动 随着转速的增加 叶片前后 面之间的压差不断增加 这就导致了推力的增加 当 AUV 在海底运动时 因推力的作 用向前加速运动 同时由于海水具有一定的粘性而产生阻力 速度越大阻力也越大 最后达到平衡 海底机器人的三维设计和动态仿真 第 29 页 5 总结 从运动控制的角度出发 对 AUV 进行了力学研究和水动力分析 综合考虑其所受 的重力 浮力等 在三维模型的基础上 运用 ADAMS MATLAB Simulink 进行运动学仿 真 对单个推进器运动控制进行研究与分析 通过仿真曲线较好地说明了所