【《关于自主水下航行器（AUV）外形设计的研究国内外文献综述》5500字】

XXXV关于自主水下航行器（AUV）外形设计的研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u28066关于自主水下航行器（AUV）外形设计的研究国内外文献综述 1267251.1国内外外形发展现状 1117391.1.1AUV发展现状 1140581.1.2AUG发展现状 5244051.2外形优化研究现状 7275211.2.1AUV艇体研究现状 715731.2.2水下航行器机翼研究现状 719057参考文献 8国内外外形发展现状AUV发展现状AUV从20世纪中叶开始，经过几十年的发展，在军事和科研的应用不同，科研人员对其外形设计自然不同，大致可以分为框架式外形和封闭式外形。在军事用途上科研人员考虑更多的是隐蔽性和续航能力，因此外形设计成低阻降噪的回转体外形，同时在考虑到长时间的军事任务，还需将外形寸尺设计的较大，以满足能源搭载。在科研探索上科研人员对于深海探索更多采用低阻的回转体外形；对于浅海养殖、生物多样性研究、海底成像等科研任务，科研人员采用更加灵活的外形设计方式，例如采用多艇体的框架式外形可以避免近海暗礁的碰触造成航行器的沉没。（1）框架式外形AUV框架式外形具有抗压能力较好、设计简单、扩展性强、装载空间充裕等特点，所以其通常见于作业型、科考型AUVADDINNE.Ref.{A00071ED-08CC-45E9-8965-C54B2D6AF98A}[6]。德国AtlasElektronik公司研制的DEEPC型AUV采用框架式外形AUV，主体是由三个纺锤形艇体组合而成，使用轻型碳纤维硬塑料所制而成，使得外形具有结构简单、质量轻的特点ADDINNE.Ref.{4D41C79C-305E-40FC-8ACD-DF6B86C6197D}[7]。西班牙GIRONA500AUV与德国DeepC型AUV相似，也采用了三个艇体的组合式结构。三个艇体由铝制框架组成，成本低、可靠性高，主要用于海底调查、观测及干预等任务ADDINNE.Ref.{8B559435-F162-4D61-9792-02B6B5557261}[8]。该AUV最大的特点是功能模块化处理，能够根据任务进行重新配置。美国伍兹霍尔海洋研究所成功研发出一种自主水下航行器—自主深海探测器（TheAutonomousBenthicExplorer，ABE），主体外形采用双体外形，特点是机动性强，可以悬停在水中或者以较小的速度航行ADDINNE.Ref.{0979C59E-104F-477E-9DB1-8F27B9618A7A}[9]。它是第一个可以潜至4572m绘制热层图、采集水样等任务然后独立返程的水下航行器。国内上海海洋大学张金泉等在基于对框架式AUV模型的基础上，设计出一种框架式AUV，并开发了3自由度控制系统的软硬件及水下监控装置，主要用于海水养殖中对于网衣的检测ADDINNE.Ref.{F5134640-97C5-469F-9555-E5D9409D8C35}[10]，具有该外形的AUV具有成本低可靠性高、使用便捷和可扩展能力强的特点。(a)DEEPC型AUV(b)GIRONA500AUV(c)ABEAUV(d)上海海洋大学框架式AUV图1-SEQ图1-\*ARABIC1几款框架式自主式水下航行器外形Figure1-1Outlineofseveralframeautonomousunderwatervehicles.（2）封闭式外形封闭式外形具有较好的结构稳定性与良好水动力性能，广泛应用于水下航行器外形设计中。其中回转体外形最为常见，由于各国对海洋进一步探测的需要以及回转体AUV良好的性能，国内外回转体外形AUV较多。在众多回转体外形中，横截面为圆形的细长形回转体应用最为普遍。美国海军水下作战中心研制的MK30-2训练靶雷，在浅海作战环境中充分发挥了其高机动性和强隐蔽性的特点，艇体外形采用近似鱼雷结构的回转体ADDINNE.Ref.{4908A727-0F7B-4465-BFA3-A345F1BEDA87}[11]，航速5~20kn，最大下潜深度305m。主要用于模拟潜艇的反射特性，保护潜艇安全。美国宾夕法尼亚州立大学研制的SeahorseAUV采用鱼雷外形，艇长8.6m，直径966mm。由于艇体尺寸非常大，运行速度低且航行时间长，主要航行深度在10m以下，所以主要用于滨海作战或者浅水布放ADDINNE.Ref.{4B34EE1A-072E-45D9-B4AD-1108E61F582F}[12]。英国南安普敦国家海洋中心研制了Autosub-6000，采用细长形艇体，全长5.5m，直径900mm，排水体积2.8m3，首部长1.5m，主要用于传感器等搭载ADDINNE.Ref.{2B9A9BDD-6CAB-4165-ACC7-B16211A8B4BB}[13]。并在圆柱体的艇体后端设计有机翼，主要用于生成向下的力，有利于其下潜运动。Autosub-6000配备有温盐深仪、荧光计等是一个多用途海洋勘测与调查平台。加拿大ISE国际水下公司研制的ExploreAUV，最大航速5kn，最大下潜深度5000m，艇体外形采用细长形回转体，可以有效减小航行阻力以提升航程ADDINNE.Ref.{7E70610B-BFC8-4B23-969D-4C5C98EB34DE}[14]。由于沿艇体轴线的模块化设计，使再增加一个电池舱模块后，其航程可以加倍，其主要用于区域警戒、水雷搜索和海洋环境数据的探测。中国船舶重工集团第710研究所研发的海神6000，长7m，直径880mm，重量不超过3.5t。艇体外形为流线型，最大程度地减小了航行阻力ADDINNE.Ref.{1760BD13-E221-4713-922D-B7A9D3038141}[15]。其主要用于勘测海底的地形地貌、开展打捞救生、大面积目标搜索、海洋科考调查等。在细长艇体外形中，除了截面为圆形还可是矩形，这种外形可以在保证航行稳定的同时便于外载设备的搭载。俄罗斯研制的MT-88长3.8m，质量1.15t，最大下潜深度6000m。外形为细长轴线型，有助于提升航行器的稳定性，其横截面为矩形，有利于传感器等任务仪器的搭载，主要用于为海洋观测和研究服务。日本东京大学研制的R2D4长4.4m，宽1.08m，高0.81m，最大航速3kn，最大下潜深度4000m，艇体外形为椭球形，宽度大于高度，在减小航行阻力的同时也增强航行稳定性ADDINNE.Ref.{627AE54E-2AEC-4246-B62D-F423C8C3E926}[18]。R2D4主要任务为深海海底调查,并于2003年7月在苏鲁加湾完成了它的首次海试，同年12月海洋学家使用该航行器部署了对黑岛山丘的调查，并获得了高质量的海底声像数据。(a)Autosub-6000(b)ExploreAUV(c)中国船舶重工集团第710研究所样机-海神6000-=1\*ROMANI(d)俄罗斯MT-88(e)日本R2D4图1-SEQ图1-\*ARABIC2几款回转体自主式水下航行器外形Figure1-2Outlineofseveralautonomousunderwatervehicleswithrevolvingbodies.在回转体外形中，球形水下航行器最为特殊。由于其独特的外形特性使得下潜过程中各个方向受到的阻力相同，不利于航行器的操纵性，但正是由于各个方向受力相同，使得水下航行器的球形设计更适合应用于深海航行器的外形设计。20世纪90年代，美国夏威夷大学已开始研究球形机器人，研制的水下机器人ODIN直径640mm，空气中质量126kg，主要用于水下探测等任务ADDINNE.Ref.{AFB4CAEC-E612-4833-BCDF-C7E21A90B674}[16]。2007年，哈尔滨工程大学研制球形喷水水下航行器ADDINNE.Ref.{95AE9369-E08C-4F54-9F2F-77A5DBF7ACFA}[17]，直径220mm，空气中质量5.6kg。(a)美国ODIN球形航行器(b)哈尔滨工程大学球形喷水航行器图1-SEQ图1-\*ARABIC3几款球形自主式水下航行器外形Figure1-3Outlineofseveralsphericalautonomousunderwatervehicles.除了采用细长的回转体线型外，科研人员根据海洋生物进行了仿生外形的设计，这种外形有助于减小阻力，但是容积利用率不高。美国麻省理工学院研制出了OdysseyI~IV系列自主水下航行器。OdysseyIV艇体外形采用海豚外形，长2.5m，直径580mm，最大航速4kn，续航12hADDINNE.Ref.{E654184C-E52E-4E3E-B2FE-4D7F9AA530A4}[19]，通过加长主体轴线，并配合推进器，可以有效改善扶正力矩对航行稳定的影响。OdysseyIV主要用于调查冷水珊瑚、渔业，勘探考古遗址和海底结构，还可以作为基于计算机的视觉声学监控平台。除了回转体外形和仿生外形外，还可根据不同的任务设计成某些特殊的封闭式外形。我国研制的“探索者”号，采用扁平外形，这种外形具有良好的减阻效果，并且在减小阻力的同时在下潜过程中艇体还可提供一部分升力。其主要用于对水下失事目标进行大范围的搜索与观察，还可以用于军事、打捞等工作ADDINNE.Ref.{F24BAC5F-868D-4EA1-BE54-DF9558E70847}[20]。美国麻省理工学院(MIT)OdysseyIV中科院沈自所“探索者”号图1-SEQ图1-\*ARABIC4几款非回转体自主式水下航行器外形Figure1-4Outlineofseveralnonrotatingautonomousunderwatervehicles.AUG发展现状早在上世纪90年代初，美国海军的支持下，DougWeb等人开始研发电驱动的水下滑翔机SLOCUM，艇体采用细长回转体，直径21.3cm，总长1.5m，重量52kg，主要用于海洋地质信息采集，并在美国佛罗里达州进行了海试ADDINNE.Ref.{8671659A-BA87-4B32-8543-868FAB08AF36}[21]。上世纪90年代末，美国的WoodsHole海洋研究所研制的Spray滑翔机，艇体采用水滴形的回转体外形，直径20cm，总长2m，重量为51kg，主要用于深海探测ADDINNE.Ref.{3445B5F9-C745-454F-AF0E-CE5CEC70452F}[22]。2002年，美国应用物理实验室研制出Deepglider滑翔机，采用低阻层流形回转体外形，工作深度为6000m，主要用于深海地质地貌的研究工作ADDINNE.Ref.{B6B04FF1-BD27-4299-B321-3264E586F904}[23]。2005年天津大学与国家海洋技术中心合作成功的研制了温差能水下滑翔机，并在千岛湖完成实验，外形采用低阻力的回转体外形，主要用于海洋环境的研究ADDINNE.Ref.{2EBBEF07-10B6-48F0-B652-1C42847EE9CA}[24]。(a)SLOCUM滑翔机(b)Spray滑翔机(c)Deepglider滑翔机(d)天津大学水下滑翔机图1-SEQ图1-\*ARABIC5几款回转体水下滑翔机外形Figure1-5Theshapeofseveralgyratoryunderwatergliders.除了回转体外形外，为了提高滑翔经济型，本世纪初美国海军设计了大展翼的水下滑翔机，对机翼和艇体进行了融合，航行速为1~3kn，机翼展长超过6m，航程最远可达1500km，主要用于海洋海洋生命科学的研究作ADDINNE.Ref.{CB4A81DD-C15B-4465-887B-31902E5865B5}[25]。图1-SEQ图1-\*ARABIC6Xray水下滑翔机Figure1-6Xrayglider.可以看出作业任务不同AUV外形设计各有千秋。其中回转体外形的高稳定性与水动力性能，已成为当前AUV外形设计的主流。同时，国内外对于自主水下航行器的研制一直向更深更远、长航时的方向发展。为提高国家海洋探测、军事等能力，很有必要继续致力于新型自主水下航行器（AUV）的研制和对当前AUV作进一步地优化。外形优化研究现状流噪声、稳定性、阻力等与水下航行器的外形有很大关系，同时外形也可以通过现代加工手段得以实现，所以水下航行器的外形优化设计一直深得学者们关注ADDINNE.Ref.{9072E5A9-040C-4EE1-9BCA-338A575AD30F}[26]。AUV艇体研究现状通过对相关文献的梳理发现，对自主水下航行器的优化主要为对艇体外形的优化。为使AUV更好地满足在近海平面航行的需求，Alvarezd等2009年对传统鱼雷式AUV外形进行了相应的优化设计ADDINNE.Ref.{70666792-896C-4960-A7E9-63E3EB508138}[27]。首先使用一阶Rankine面元法计算了近海平面的波阻，然后运用模拟退火算法进行了优化搜索，最后获得需要进行近海平面航行AUV的最佳外形。为进一步降低AUV阻力与噪音，从而增大其航程与航速，增强其探测过程中的隐蔽性，西北工业大学杜向党对回转体外形线形进行了优化。运用遗传算法将阻力与噪音同时作为目标函数，建立优化模型ADDINNE.Ref.{75757D0A-C890-4E2D-A5D6-55268E4C4DC7}[28]。水洞实验及计算结果表明，优化后的航行器噪音降低、阻力减小。为增强水下航行器在超低速航行中的稳定性，西北工业大学姜军对回转体AUV主体外形及鳍舵的布局进行了优化。首先使用遗传算法对AUV主体外形进行了优化，头部采用圆头线型而尾部线型使用尖尾线型。接着根据流体动力布局要求将鳍板按“十”字布局，鳍舵呈“米”字形布局ADDINNE.Ref.{2EC66809-343E-408A-8BC1-E75204C165DA}[29]。为减小阻力，哈尔滨工程大学庞永杰等以Myring型回转体AUV为研究对象，使用CFD（ComputationalFluidDynamics:CFD）方法探究了首部和尾部长度对AUV直航阻力的影响，利用多岛遗传算法找到首部、中部和尾部合适的比例与外形参数，从而提出了优化模型ADDINNE.Ref.{7EE9F19E-39EA-485C-802B-6CA2F2C08E35}[30]。为提高航程，天津大学李龙以航行器外形的曲线方程及和阻力公式为基础,通过程序编写对不同外形参数下AUV的阻力进行了迭代求解,获得了优化的低阻力外形，同时他也对AUV的螺旋桨进行了相应的优化设计，利用升力线理论对螺旋桨叶型进行了优化，结果表明适当地增大纵斜角和展弦比能有效提高AUV的水下航程ADDINNE.Ref.{3BA765E7-832E-483B-B380-00B04CD07981}[31]。在AUV艇体设计中存在不确定性因素随机扰动的问题，在确定性设计方案进行不确定性分析时，确定性优化设计方案将超出约束。大连海事大学穆旭阳利用6Sigma优化理论对AUV线型进行不确定性优化设计，经过前后对比6Sigma优化的艇体可有效减小航行阻力并使得在设计变量发生随机扰动时该理论设计方法仍能满足质量和可靠性要求ADDINNE.Ref.{B3AD50A6-9C32-460B-9D31-E1511CEA9560}[32]。大连海事大学郑冠超首先在多航速下搭建仿真平台构建近似模型，然后对比了多岛遗传算法、自适应模拟退火算法和多目标粒子群算法在构建近似模型中的效果，最后由于多岛遗传算法具有全局搜索能力好且收敛效果最佳，选取该算法作为对多航速的近似模型进行优化ADDINNE.Ref.{3EF5AE95-9A27-43E2-B602-6BE848E10C57}[33]。水下航行器机翼研究现状为实现水下航行器的滑翔功能，机翼是必要部件ADDINNE.Ref.{B89A0D86-97B0-4154-B454-3EDF27AA1EE8}[34,35]。目前机翼的设计主要针对水下滑翔机展开，因此本文主要对水下滑翔机机翼设计优化进行梳理。水下滑翔机通过改变自身净浮力，实现上浮下潜。在上浮下潜过程中，由于水下滑翔机保持一定的俯仰角度，依靠水平机翼产生向前水平滑翔分力从而实现滑翔性能ADDINNE.Ref.{C19A5CA3-108B-4CEF-A033-F7F53D6502CD}[36]。天津大学宋方希在对混合驱动水下滑翔机设计中，提出机翼设计的形式主要考虑因素是AUV模式下水下滑翔机的航行性能，即续航能力、稳定性和机动性，他分析了这三方面影响规律并给出机翼设计的建议ADDINNE.Ref.{0B9D4A84-E3B6-43EF-BF17-84FFE6C1127E}[37]。天津大学张明明根据混合驱动水下滑翔机对可变机翼的实际需求，首先设计出可实现平动和转动的平面二自由度连杆机构，即可实现展弦比和后掠角的变化，然后利用CFD仿真分析出在不同工作模式下展弦比和后掠角对航行性能的影响规律，最后确定出变翼方案并对变翼电机转动角度进行灵敏度分析ADDINNE.Ref.{1A0466CC-7B58-4961-AB68-40699512470F}[38]。海洋生物独特的形体结构及运动方式引起越来越多的研究人员的关注，最近仿生机翼研究的发展如火如荼。西北工业大学的丁浩首先根据海龟前肢运动特性，建立扑翼平面三自由度运动数学模型；然后运用滑移网格技术和动网格技术，分别分析了翼型厚度、翼型弯度、旋转轴位置、时间非对称运动方式对扑翼水动力性能的影响；最后对实验样机进行实验，在特定工况下，他通过对比仿真计算结果与实验结果，验证了扑翼航行器动力学模型的正确性ADDINNE.Ref.{6C511DD5-7496-4499-8420-572BC784A893}[39]。哈尔滨工程大学王海龙通过对海蟹形态结构和运动特征的分析，首先设计出一种足桨混合驱动仿海蟹机器人结构，然后运用CFD对游泳桨进行数值模拟，分别分析游泳桨的结构参数、时间不对称拍动、推进模式和游泳桨运动参数等对水动力性能和流场结构的影响，最后进行海蟹机器人水池实验ADDINNE.Ref.{38BF2B38-9CAE-4901-9E02-F92099AB051C}[40]。参考文献[1] 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