基于康达效应的水下机器人矢量推进器设计与性能评价

因水下环境复杂，搭载于机器人外部的螺旋桨式或喷水电机式矢量推进器常会面临被水下杂物缠绕失去动力的潜在风险。本文提出一款基于康达效应的矢量推进器，其利用最少驱动单元即可实现动力在四个方向上的矢量输出，从而保障搭载该推进器的机器人在水下可实现包括直行、转弯、上升、下潜在内的多自由度运动；通过ANSYS流体仿真，验证利用康达效应设计矢量推进器的有效性；同时结合水下运动机动性需求，搭建一款基于该推进器的水下机器人样机，并展示样机运动姿态与推进器工作方式的关系；最终通过设计测力/转矩实验装置，评估矢量推进器在各方向的动力输出特性。实验结果可用于辅助机器人后续实现精准而高效的水下运动控制任务。     

矢量泵喷推进器水动力性能

传统水下航行器采用鳍舵装置控制航向和航速,舵的存在会降低推进器的进流品质,增强推进器的直发声,引起艇体产生结构振动。为解决该问题,设计一种全新的泵喷推进方式,在泵喷推进器的导管尾缘加装一段能调整和控制方向的尾喷管。基于STAR-CCM+软件进行数值计算,结果表明:该矢量泵喷推进器可产生较大的横向操纵力,可实现舵的操纵效果。     

作业型ROV矢量推进建模及推力分配方法

为了研究矢量推进遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)的推力分配方法,根据总体结构中推进器的空间分布关系,推导出推进器推力和作用于ROV本体上合推力之间的关系,进而建立了一种过驱动ROV矢量推进系统的数学模型。在Matlab中构建了ROV运动控制的仿真模型,通过直接推力分配法验证了目标ROV矢量推进系统数学模型的准确性。提出了一种将六自由度控制量归一化和伪逆法结合使用的综合推力分配方法,通过仿真验证了该方法可有效解决直接伪逆法出现的推进器饱和问题,可直接应用于解决矢量推进水下机器人运动控制的工程问题。     

矢量泵喷推进器水动力性能

传统水下航行器采用鳍舵装置控制航向和航速，舵的存在降低了推进器的进流品质，增强了推进器直发声，引起艇体结构振动。为解决这一问题，设计一种全新的泵喷推进方式，在泵喷推进器的导管尾缘处加装一段能够调整和控制方向的尾喷管。基于STAR-CCM+软件进行数值计算，结果显示：此种矢量泵喷推进器可以产生较大的横向操纵力，可以实现舵的操纵效果。     

采用海水磁流体推进的水下运载器

应用洛伦兹力作用于周围海水的水下运载器推进器具有四种不同的方案：交流和直流，外部磁场力方式和内部槽道型方式。鉴于空间限制和速度和速度方面的考虑，目前的分析集中在内部推进器方案上。讨论了磁流全泵喷推进器的理论。介绍了基于“双重控制容积”分析的磁流体推进器，以及潜器航速，效率和推力的计算。讨论了几种不同类型的水下运载器，包括鱼雷，遥控潜器，水下自主潜器及潜艇。分析结果表明，这种推进器的速度性能与海水导电率和磁场强度的平方成正比增长；同时表明带有较长磁流体槽道的较大系统的运载器能量效率更高。目前，应用螺旋浆推进器系统的潜艇已经获得20－42kn的航速。基于解析的参数研究，利用稍作修改的压水堆作为动力源的磁流体推进器，可在此范围内获得运载器的速度。如果同时采用液态金融增殖反应器，可达到更大的水下航速。磁流体推进器还能减少水动力阻力，减少维护量降低可检测性。     

矢量推进方式下的自主式水下航行器纵向运动操纵性分析

提出一种针对无人自主式水下航行器的新型操纵方式--矢量推进方式;建立矢量推进方式下无人自主式水下航行器纵向运动方程.对矢量推进方式和普通推进方式下的水下航行器的操纵性进行对比性的操纵性仿真计算,计算结果表明,矢量推进方式可以满足水下航行器的操纵性要求.     

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角（喷管偏角）下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。     

倾转螺旋桨潜器操控研究

由于航速较低,舵效较差,使得低速潜器操纵控制比较困难,通常ROV(无人遥控潜水器)为了实现高性能的矢量推进需要配置数量较多的推进器,通过引入倾转螺旋桨可以减少总的推进器数量,利用Simulink软件建立了倾转桨潜器水下运动仿真模型并进行了操纵控制仿真研究,仿真结果显示了倾转螺旋桨优秀的矢量推进性能。     

水下旋转推进器动力学响应模拟软件设计

现有的动力响应模拟软件还没有一款针对水下旋转推进器的专用程序,因此提出水下推进器动力学响应模拟软件设计。设计分为推进器湍流模拟架构算法设计、动力响应模拟架构算法设计、推进器叶片载荷模拟架构算法设计、响应模拟执行编码架构设计。试验表明,设计的水下推进器动力学响应模拟软件,具有响应速度快、运行稳定好、资源占有率低、模拟数据准确率高的特点。     

矢量泵喷推进器尾流场特性及操纵性能研究

为改善潜艇泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性,降低潜艇噪声,提高潜艇的隐身性能。设计一种取消尾舵的潜艇矢量泵喷推进器,基于RANS方法对潜艇矢量泵喷推进器水动力性能进行数值计算,对潜艇尾流场特性、矢量泵喷推进器的推进性能和操纵性能进行研究,并与常规泵喷推进器作比较。计算结果显示,潜艇采用矢量泵喷推进器可取消尾舵的布置,降低转子盘面流场不均匀性,整体总阻力降低,推进器收到功率减小,推进效率提高19.9%;在0°～30°操舵舵角范围内,矢量推进器最大偏转力矩大于常规泵喷推进器+尾舵的偏转力矩。在相同的操舵角度下,矢量泵喷推进器偏转力矩大于常规泵喷推进器,说明潜艇安装矢量泵喷推进器可满足航行机动性的要求。这项研究为降低潜艇桨盘面不均匀性,提高潜艇声隐性能提供了新的途径。