水下机器人毕业论文

水下机器人毕业论文 11.1研究意义 1 2 21.4动态仿真研究现状 31.5本文主要研究内容 42AUV总体设计和三维建模 62.1形体的选择 62.2设计内容 62.3三维建模 73AUV的动力学分析 3.1坐标系 3.2定义运动参数 3.3受力分析 114推进器动态仿真 204.2.1理论基础 204.2.2仿真前期准备 21 29参考文 31附 海底机器人的三维设计和动态仿真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，人圪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辐射，可以拓展新的经济增长空间，优化经济结构，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。的费用，最大限度地降低训练风险。通过动力来源就是推进器，所以通过对推进器的流体海底机器人的三维设计和动态仿真仿真，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。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1.3国内外AUV研究动态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2005年，世界上共研制了约70艘AUV,AUV已经多次成功地应用于机器人的方向发海底机器人的三维设计和动态仿真展。在过去的20年里，全球各主要国家所研制的AUV,其中美新罕布什尔州大学的小型AUV,即试验性器人。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,有效负荷应答网执行跟踪任务。现在AUSS为第二代先机器人，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，是以大范围搜索我国在军用AUV的研究中也取得了很好用智能水下航行器。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海底机器人的三维设计和动态仿真车代替，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，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它包括载体系统、通讯系统、导航系统、传感器系统、声纳系统情。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)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第一章绪论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，根据二维海底机器人的三维设计和动态仿真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过海试得出，故此只给出计算公式。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第五章总结海底机器人的三维设计和动态仿真设备，多种传感器及用来完成某种作业的机械手和作业工具。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。密接插件、重心和浮心的计算和整体平衡的考虑。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(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。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整。高压舱内安装有探测及发射装置，控制系统等设备。海底机器人的三维设计和动态仿真小声纳)以及起支撑作用的框架。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，成工作任务后，又通过推进器的作用完成返程。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在满足强度要求的前提下，根据装配关系进行零件设计。(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，钢管内部充满氮气，抵消部分海水压力，海底机器人的三维设计和动态仿真(3)推进器于框架之上，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前端所设计的三维模型如图2.3所示：⑦⑥海底机器人的三维设计和动态仿真⑥——卡箍；⑦——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，建立水下机器人为便于研究AUV的运动、数学建模与控制，需建立两个正交坐图3.1静坐标系、动坐标系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。V?——机器人重心G的空间速度矢量V在水平面内的投影；V??——机器人重心G的空间速度矢量V在纵垂直面内的投影海底机器人的三维设计和动态仿真对系统性能起主要作用的影响因素，这里主要考虑i?1n(注：该方程为矢量方程，为矢量和)n—推力器的总数，该处为n=5。MF、MB、MP、?i?1海底机器人的三维设计和动态仿真(1)推力：T??n2D4KTD——螺旋桨直径(113mm)KT——推力系数(经验值)(2)轴向力方程：1?u2?Xyy?y2?Xww?w2???L2?Xuu??2动力，第四项是推力，第五项是重力和浮力。(3)侧向力方程：.14'''&.1'''??L3(Y.'v?Yvqvq?YwPwP?Ywrwr)v2112'2''222??L(Y*u?Yvuv?Yvvv?v?w?)?Ty2(4)垂向力方程：海底机器人的三维设计和动态仿真?w.?1?L4(Z''2'2'2.q?Zppp?Zqrrr?Zrqrq)2?L3(Z'.''2?L2??Z'2''222?L2??Z'w?Z'22?z2?L2Z25)摇力矩方程、纵力矩方程、偏航力矩方程?1?L4??K'.''?2?v.v?Kpup?Krur??2?L4??K'2?L3??K'2''22*u?Kvuv?Kwv2???v?w???2?L3K'vwvw?phcos?sin??MTx2?L5???K''p.?K'''?2?L4???M'.'vr?M'?4?''222?2?L??M2?L3??M'u2?M''22?2?L3??M''22海底机器人的三维设计和动态仿真.15?'?'''??L?N.r?N.p?Nr'rrr?Npqpqqr?2p?r?'zz'yy'xxy、z轴的推力(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：(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?g??o?ucos?cos??v(cos?sin?sin??sin?cos?)?w(cos?sin?sin??sin?sin?)?g??o?usin?cos??v(sin?sin?sin??cos?cos?)?w(sin?sin?cos??cos?sin?)?g??o??usin??vcos?sin??wcos?cos?……(3-13)(8)有海流(海流速度为U(uxuyuz))时则水下机器人相对于海底机器人的三维设计和动态仿真若考虑海流作用时，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，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：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AUV的底层控制海底机器人的三维设计和动态仿真用典型的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: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：图4.1.2深度控制框图典型的PID调节器闭环控制方程：t3.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(根据推进器的运动自动调节),阻力(?10vv);海底机器人的三维设计和动态仿真推进器的设定位置：距推进器位置3m处。设定Pgain=200,lgain=25,Dgain=100。通过ADAMS/MATLAB(1)位移曲线(如图4.1.4)位移/m图4.1.4位移曲线(2)速度曲线(如图4.1.5)稳定振幅0.3m/s:海底机器人的三维设计和动态仿真速度m/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，增加比例环节可常明显，所以通过比较选定PID的参数分别为100、25、200,生成海底机器人的三维设计和动态仿真时所产生的阻力等，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：质系统还要遵守附加的湍流输运方程??????u??0海底机器人的三维设计和动态仿真1静止的流体所具有的压强即为静压强，简称静压，??2是因流体运动而产生的压2标准的k?模型是最基本的二方程模型，k-湍动能，epsilon-耗散动力学湍流粘度定义为：??i???k????kUi????????????t?xi?xj??k???????????Ui?????t?xi?xj???i????????????k????x??Gk?Gb????YM?S(4-8)???x??C1?k(Gk?C3?Gb)?C2??k?S???j?由于浮力引起的湍动能k的产生项，YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献，C1?C2?C3?为经验常数，?k??分别是与湍动能k和耗散率?对应的普朗特数，SkS?是用户定义的源项。C1?=1.44,C2?=1.92。对于可压流体的流动计算中与浮力有关的系数C3?,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直时，取0。4.2.2仿真前期准备海底机器人的三维设计和动态仿真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。可以有六面体、锥体或楔形体),选择TGrid混合网格类边界上分点时所用的间隔长度为5,即Intervalsize=5。(1)选择(2)指定边界类型。叶片类型为WALL,包括叶片前面，叶片后海底机器人的三维设计和动态仿真(1)创建几何模型和网格模型(在GAMBIT前处理软件中完成);(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(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。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(1)计算模型选择分离式求解器(segregatedsolver),该求解器主要顺序地、(2)粘性模型选择kepsilon(2eqn)模型，使用标准k-e双方程模型进行湍海底机器人的三维设计和动态仿真(3)工作环境(4)边界条件设置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域流体设为动网格(movingmesh),旋转轴为y轴。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-3:监测进出口质量流量平衡，报告类型(reporttype)(1)叶片转速为300rpm,迭代次数(a)残差历史满足残差收敛条件。海底机器人的三维设计和动态仿真(b)质量流量平衡曲线收敛值，即达到了预期效果。通过后处理过程可以得到：出口流量pressure_outlet:7.379024kg/s;海底机器人的三维设计和动态仿真叶片处于静止的海流中，所以阻力系数Cd波动较大，后来逐步趋向(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，进而可以压曲线min=-2380pa)和速度矢量图(如图4.2.8,max=4.201029m/s,海底机器人的三维设计和动态仿真布图(2)下面分别将转速设为400rpm,500rpm,600rpm,800rpm变化(静压和速度矢量变化趋势与转速为300rpm时类似，这里不再海底机器人的三维设计和动态仿真流量损失不断增加，但在误差允许范围以内，总体而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5总结综合考虑其所受的重力、浮力等，在三维模型的基础上，运用通过FLUENT对推进器进行流体仿真，得到了叶片旋转时周围流对比，计算了不同转速时的推力情况，绘制了推力与转速关系曲线，海底机器人