《水下机器人毕业答辩论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水下机器人毕业答辩论文（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、水下机器人毕业答辩论文目 录1 绪论1 研究意义1 AUV介绍2 国内外AUV研究动态2 动态仿真研究现状3 本文主要研究内容42 AUV总体设计和三维建模6 形体的选择6 设计内容6 三维建模73 AUV的动力学分析10 坐标系10 定义运动参数10 受力分析114 推进器动态仿真16 ADAMS仿真16 FLUENT仿真20 理论基础20 仿真前期准备21 FLUENT数值模拟计算235 总结29参考文献30致谢31附图321 绪论 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
2、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
3、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
4、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
5、性具有极大的指导意义。 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
6、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。 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
7、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。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
8、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510cm75cm，有效负荷不定。
9、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
10、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。 动态仿真研究现状机械系统动力学仿真分析技
11、术首次出现于1980年前后，作为一门新兴技术，它最初被应用在汽车、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。
12、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AU
13、V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）。 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
14、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 AU
15、V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
16、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。 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。水下机器人
