自治水下機器人縱垂面操縱性影響因素分析與研究.pdf

1、作為水下測量傳感器的有效搭載平臺,自治水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)已經(jīng)成為海洋勘察和探測裝備的熱點研究方向。為更加精確和安全地完成測量任務(wù),AUV需要具備良好的操縱性能,尤其是在縱垂面內(nèi)的操縱性能。本文所研究AUV縱垂面操縱性能的影響因素有:縱傾角的運動穩(wěn)定性、操舵升降速度、近水面文丘里效應(yīng)、海洋環(huán)境因素、AUV衡重參數(shù)等。在近水面航行時,由于自由液面限制了AUV周圍流場的自由發(fā)散,使

2、其會受到文丘里效應(yīng)的影響而產(chǎn)生向上的吸力及力矩,加之近水面時風(fēng)浪等海洋環(huán)境因素的干擾,使AUV近水面下潛及深度保持產(chǎn)生一定的困難。水下測量時,由于測量任務(wù)的需要,AUV時常要根據(jù)海底地形的起伏進行深度調(diào)節(jié),不合理的衡重配置將會導(dǎo)致AUV操舵后出現(xiàn)振蕩、超調(diào)等現(xiàn)象,從而對測量數(shù)據(jù)的精度產(chǎn)生直接影響。
　　本文以本實驗室研制的深水AUV為研究對象,利用流體分析軟件Fluent中流體體積函數(shù)法(Volume of Fluid,VOF)對

3、近水面航行時文丘里效應(yīng)對其操縱性的影響進行了分析,并通過對AUV縱垂面運動方程和縱傾角響應(yīng)方程的分析,探討了重心浮心縱向距離、垂向距離、及正浮力大小對AUV縱垂面操縱性的影響。具體研究結(jié)論如下:
　　(1)通過對AUV在不同深度、不同傅汝德數(shù)情況下的近水面航行進行數(shù)值仿真表明,當(dāng)AUV在近水面航行時,由于產(chǎn)生興波阻力的原因使其航行阻力大于無界繞流時的航行阻力。當(dāng)AUV下潛深度h<3D時,AUV會受到較為明顯向上的吸力和力矩,潛深h

4、>3D時,吸力和力矩較小可以忽略。近水面所受的吸力和力矩隨深度增加呈指數(shù)衰減。
　　(2)基于AUV縱傾角的操舵響應(yīng)方程研究了重心和浮心距離對操舵響應(yīng)特性的影響,并提出了重心和浮心垂向距離計算公式。此外,本文還對垂向距離對AUV操舵下潛速率及轉(zhuǎn)彎時的深度變化產(chǎn)生影響進行分析研究。
　　(3)通過對AUV定深航行時的縱垂面線性方程的分析,研究了重心和浮心縱向距離及正浮力的大小對AUV定深航行時的平衡質(zhì)量的影響,并討論了使AUV