带缆水下机器人转首控制及水动力分析

将缆绳模型与6自由度模型耦合,构建带缆水下机器人数学模型,并通过重叠网格和滑移网格技术模拟机器人的运动和导管螺旋桨的旋转运动。在不同海流作用下对受导管螺旋桨控制的带缆水下机器人转首运动、导管螺旋桨推力特性与海流速度的关系、缆绳受力和机器人水动力性能等进行了分析。数值模拟结果表明,在低海流速度下,带缆水下机器人在导管螺旋桨控制下能完成转首运动,导管螺旋桨的推力会受到海流速度和机器人姿态显著的影响;海流速度对机器人水动力载荷和缆绳的合力也有显著的影响。     

带缆水下机器人控制仿真模拟与水动力分析

本文以Fluent多重滑移网格技术对带缆水下机器人系统进行路径跟踪的仿真计算,将收放缆反馈控制与PID算法调节螺旋桨转速的双重控制策略应用于带缆水下机器人系统,并对带缆水下机器人系统升沉运动的控制误差、螺旋桨推力与转速之间的关系、缆绳系统的张力特性以及水下机器人的水动力响应做了分析。文中数值模拟结果表明,双重控制策略下,带缆水下机器人路径跟踪的控制运动较为精确,其升沉运动位移最大误差约为0.2 m;螺旋桨的转速与推力呈正相关性,转速越大,推力也越大;水下机器人沿预定轨迹运动过程中,缆绳系统张力呈现周期性震荡的变化规律,机器人主体受到的水动力荷载与多种因素相关。     

三维回转运动条件下水下潜器系统导管螺旋桨推力特性研究

采用多重重叠网格技术模拟一对称立式水下潜器在三维回转运动过程中水下潜器系统及其系统中导管螺旋桨的水动力特性,提出一种水下潜器三维回转运动数值计算模型,通过指定叠加运动来控制螺旋桨的旋转来对水下潜器的三维回转运动方式进行操纵。计算结果表明:提出的水下潜器三维回转运动数值计算模型可以预报水下潜器三维回转运动的动力状态;水下潜器在其三维回转运动过程中,导管螺旋桨发出的推力表现出稳定的周期性的变化;相比于二维回转运动,水下潜器在进行三维回转运动过程中,由于垂向运动速度分量的存在,导致水下潜器导管螺旋桨推力较二维回转运动条件下小,潜器主体所受垂向流体阻力较二维回转运动条件下更大且波动更加剧烈。     

水下拖曳系统水动力特性的计算流体力学分析

提出了一种新型的水下拖曳系统三维水动力数学模型。在该模型中拖曳缆绳的控制方程由Ablow andSchechter模型给出,Gertler and Hargen的水下运载体六自由度运动方程被用来描述拖曳体的水动力状态。通过对拖曳缆绳和拖曳体的控制方程在连接点处进行边界条件耦合,从而构成整个拖曳系统的水动力数学模型。在研究中,拖曳系统的水动力数学模型通过时间与空间的中心差分方程来逼近,每一时刻拖曳体所受的水动力通过求解Navier-Stokes方程得到。所提出的模型特别适用于拖曳体为非回转体、非流线型的主体,或必须考虑拖曳体各组成部分的水动力相互影响的情况。计算结果与相应的实验室样机试验结果的比较表明,所提出的模型可以有效地预报拖曳系统的水动力特性。利用所提出的水动力模型,对华南理工大学提出的自主稳定可控制水下拖曳体在实际海况下的数值模拟结果显示,所分析的拖曳体具有良好的运动与姿态稳定性,是一种值得开发研究的新型水下拖曳体。     

拖船操纵运动与水下拖曳列阵的耦合运动分析

建立了拖船操纵运动与水下拖曳列阵的三维非线性数学模型,求解了在脐带非线性缆力作用下的运动方程,模拟了拖曳系统在几种典型状态下其缆索的形态变化,以及列阵张力变化。     

水下脐带缆水动力性能分析

脐带缆的水动力性能对水下作业装备的设计具有重要意义,本文在建立水下脐带缆动力学模型的基础上,通过对边值问题微分方程的求解分析,对分段绑扎脐带和ROV携带自由端脐带两种工况进行了定量数值计算,为解决类似工程问题提供了有效途径。     

基于Vega Prime的ROV柔性脐带缆动态模拟

模拟柔性脐带缆在深海作业环境中的动态形态变化是构建遥控潜器（ROV）作业视景仿真系统的重点和难点之一。由于柔性脐带缆在海流作用下受力情况复杂、运动形态多变,利用现有成熟的视景仿真软件难以做到逼真模拟。采用凝聚参数法建立柔性脐带缆的模型、运动方程及变长度算法并进行仿真求解,结合所得数值解,利用OpenGL语言和纹理映射技术动态绘制柔性脐带缆三维模型,并将柔性脐带缆动态模型与在Vega Prime平台建立的ROV主体进行衔接,获得了逼真的柔性脐带缆跟随ROV运动的动态模拟效果。     

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.     

ARV-微细光缆耦合系统的数值模拟研究

混合型水下机器人（ARV）是一种自带能源并可通过微细光缆进行水面操作作业的新型水下机器人。通常的潜水器-脐带缆耦合系统一般采用集中质量法对缆索进行建模分析,忽略缆索弯曲的影响。由于微细光缆的直径较小,文章针对ARV与微细光缆这一新的耦合系统,建立了二维控制方程。该控制方程考虑了微细光缆的弯曲影响。由控制方程得到的非线性偏微分控制方程采用有限差分法和标准的Newton-Raphson方法求解。通过采用M atlab@实现数值模拟分析,给出了几种操作机动下的仿真结果。     

水下机器人进行逆向运动时导管螺旋桨推力特性的模拟*

采用动网格与滑移网格混合技术,运用弹簧光顺与局部网格重构的组合式网格更新方式,在水下机器人系统所处流域以计算流体力学方法求解其N—S方程。数值计算结果表明：采用动网格与滑移网格混合技术在模拟水下机器人系统水动力上是可以获得正确结果的；水下机器人系统在逆向运动、螺旋桨反转时,由于主体对水流的阻塞作用和外扩作用,使得后桨、左桨、右桨所处区域的水流轴向速度偏小,造成后桨、左桨、右桨所发出的推力都较单桨大。     

基于Kane动力学和通路矩阵的水下自重构机器人建模

文章推导出基于通路矩阵和Kane方法的水下自重构机器人的运动学和动力学方程。引入图论的知识解决水下自重构机器人的统一构形描述问题,提出采用通路矩阵描述水下自重构机器人的不同构形,结合Kane方法,建立了水下自重构机器人的运动学和动力学模型。以水下自重构机器人的典型构形(水下四足行走构形)为例,验证了该方法的有效性和可用性。     

水下拖缆稳态平衡位形的确定计算

本文建立了水下拖缆稳态平衡方程，选用了前人研究的流体动力系数经验公式，讨论了平衡位形的解法，编制了平衡位形计算程序，计算了平衡位形和张力分布，提供了确定水下拖缆稳态平衡位形的计算方法。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

The design of underwater hull-cleaning robot

The research on underwater ship-hull cleaning robot was conducted on the purpose of realizing the automation of cleaning underwater ship hull so that service life of ship will be prolonged and ship speed will raised. Moreover, fuel consumption and the work intensity of divers will be reduced. In this paper, the current situation and the latest technology in China and abroad were analyzed; meanwhile, the typical characteristics of the underwater cleaning robot were introduced. According to the work principle of the underwater cleaning robot, the emphasis was put on the analysis and study of permanent-magnetic absorption, magnetic wheel, airproof and anticorrosion, underwater cleaning equipment and control system. The robot is easy in rotation and simple in control.     

Design of underwater robot lines based on a hybrid automatic optimization strategy

In this paper, a hybrid automatic optimization strategy is proposed for the design of underwater robot lines. Isight is introduced as an integration platform. The construction of this platform is based on the user programming and several commercial software including UG6.0, GAMBIT2.4.6 and FLUENT12.0. An intelligent parameter optimization method, the particle swarm optimization, is incorporated into the platform. To verify the strategy proposed, a simulation is conducted on the underwater robot model 5470, which originates from the DTRC SUBOFF project. With the automatic optimization platform, the minimal resistance is taken as the optimization goal;the wet surface area as the constraint condition; the length of the fore-body, maximum body radius and after-body＇s minimum radius as the design variables. With the CFD calculation, the RANS equations and the standard turbulence model are used for direct numerical simulation. By analyses of the simulation results, it is concluded that the platform is of high efficiency and feasibility. Through the platform, a variety of schemes for the design of the lines are generated and the optimal solution is achieved. The combination of the intelligent optimization algorithm and the numerical simulation ensures a global optimal solution and improves the efficiency of the searching solutions.     

基于ANSYS的无缆潜航器力学性能分析研究

为了设计无缆潜航器,采用数值分析和机械制造相结合的方式,设计出一款新型无缆潜航器,在设计制造出潜航器的基础上,对该无缆潜航器进行力学性能分析研究,对其水下运动规律及特性进行了理论推导,采用数值分析的方法分别讨论机器人的结构力学特性和流体力学特性,并对机器人的应力应变强度参数进行仿真分析,讨论不同情况下机器人的属性参数,结合分析数据,对潜航器运行工况下的各项参数进行了稳定性分析,最后对以上所有参数进行总结归纳,文中所采用的方法可以用于机器人设计及优化。     

仿蟹滑翔机器人水动力外形优化设计

针对一种新型仿蟹滑翔机器人,以提高其升阻比为目标开展外形优化设计研究。对数值方法进行标定,利用计算流体力学(CFD)软件Fine Marine开展仿蟹滑翔机器人初始外形水动力性能计算,给出其阻力和升力曲线;利用CAESES软件对仿蟹滑翔机器人外形进行参数化建模;基于第二代遗传算法开展仿蟹滑翔机器人外形优化计算。结果表明,相比原设计方案,优化后的仿蟹滑翔机器人外形的上浮状态和下潜状态升阻比分别提高了9.46%和7.18%,内部空间体积提升了20.41%。     

基于光电复合缆的水声信号采集发射传输系统

众所周知水下电磁环境复杂,在水下采用电缆传输电信号非常容易受到海洋电磁环境干扰,并且随着距离的增加,电信号受到干扰和衰减也就越大.因此水下中长距离的信号传输采用光电复合缆传输是一个比较好的选择,光纤用来传递水声信号,电缆用来传输电力.因此本文设计了一种基于光电复合缆的水声信号采集发射传输系统,能够很好地解决上述问题.本设计将要采集和发射的水声模拟信号在采集发射端和主机端转换成光信号,端到端之间的传输采用光信号,而采集发射端的供电则由光电复合缆的电缆提供.