潜水器协同作业下的多自由度运动建模与仿真研究

当多台潜水器在水下进行空间协同作业时,潜水器间、机械手间以及潜水器与机械手间的相对运动关系复杂,潜水器的运动对机械手末端位置有耦合作用;此外,潜水器间、机械手与潜水器间的动力学存在耦合作用。为了提高潜水器协同作业的精细水平,本文建立了两台潜水器协同作业下的多自由度运动学和动力学模型,并对协同作业过程进行了仿真。仿真结果表明:在大地坐标系下,潜水器间能很好地完成对指定目标的协同作业,有效解决了空间多自由度问题;在机械手协同作业过程中,潜水器间的耦合力以及机械手作用在潜水器上的干扰力对潜水器的悬浮姿态干扰很小。     

“蛟龙号”机械手水下作业的交互仿真设计

针对载人潜水器水下作业机械手操作人员的培训中存在培训成本高、安全风险大的问题,以我国第一台载人深潜器"蛟龙号"为仿真原型建立三维物理模型。采用D-H方法建立搭载机械手的运动学模型,并求出正、逆运动学解;利用VC++及OpenGL图形库搭建机械手运动学算法的验证与解算平台;基于虚拟现实技术、碰撞检测技术以及三维交互技术,调用运动学解算接口,实现机械手水下作业过程的交互仿真开发。     

海流作用下的载人潜水器作业动力学建模与仿真研究

载人潜水器在深海复杂环境下进行作业时,常受到海流的干扰。当进行采样作业时,机械手的运动也会对潜水器主体的姿态产生干扰。为了提高载人潜水器作业水平,以某型载人潜水器为研究对象,建立了海流作用下机械手运动时的载人潜水器动力学模型,对海流作用在潜水器上的水动力进行了仿真分析,研究了海流作用下机械手作业对潜水器运动特性与姿态的影响。仿真结果表明:海流直接作用在潜水器上的水动力远远大于海流间接通过机械手作用在潜水器上的附加水动力;机械手自身运动对载人潜水器运动特性的影响不大;机械手抓取重物对载人潜水器姿态影响较大。     

深海载人潜水器的运动仿真与试验验证

深海载人潜水器是海洋开发的前沿与制高点之一,其外形较大且复杂,因而动力学模型高度非线性耦合。以"蛟龙"号载人潜水器为研究对象,建立运动学和动力学模型,首次采用"蛟龙"号在太平洋试验数据对其模型进行仿真计算验证。通过模型仿真结果与实际的下潜数据进行反馈对比,验证其六自由度模型。研究结果可为复杂外形深海潜器的运动仿真、控制调试和航行监测提供参考,具有一定的工程价值。     

五自由度水下摄像机械手技术方案与虚拟样机设计研究

水下摄像机械手是进行水下复杂环境视频采集的理想工具。根据目前水下作业的使用需求,结合现有载人潜水器的技术特点,研究了水下摄像专用机械手的总体架构、机械原理、动力配置等关键技术指标,提出了水下摄像机械手初步方案,并用商用设计软件进行了虚拟仿真设计研究。结果表明,技术方案切实可行,为水下摄像机械手的工程化应用奠定了坚实的技术基础。     

潜水器水动力变化特性分析

潜水器在水下受到复杂水动力因素的影响,在运动过程中,动力机组输出的动力呈动态值波动。为了潜水器更好地准确控制输出动力,本文提出潜水器水动力变化特性分析。首先,通过对潜水器动力部分在水下运行参数的分析得到动力修正参数,从而完成对水动力机械推进硬件的参数优化重组;同时,对潜水器控制器的水动力逻辑算法进行算法替换优化,引入水动力推进参数差速转换控制算法,利用水动力学对螺旋桨推进力进行差速关联计算,使其参数与动力马达转速构成关联参数,使潜水器的航行轨迹与姿态控制更符合水动力学;最后,通过仿真实验,对优化数据进行仿真建模验证,证明优化方案的可行性与有效性。     

水下作业机械手运动学分析与仿真

针对水下作业机械手难于实现负载能力与灵活性相统一的问题,设计了一种采用欠驱动机构的水下作业机械手,建立了该机械手的三维模型,并对机械手的工作原理和运动学特性进行了分析与仿真.从分析与仿真的结果可以看出,采用欠驱动机构可以解决机械手自由度数目、驱动方式、质量和灵活性之间的矛盾.该机械手采用液压方式实现对机械手11个自由度的驱动,具有驱动力大、结构简单、操作灵活的特点,可适应多种不同任务的水下作业需要.     

大深度载人潜水器浮力块的结构设计

依据大深度载人潜水器浮力块的使用条件及主要技术性能指标,提出了浮力块的质量和质心坐标的计算方法、布置和分块原则、强度校核标准,并通过对浮力块密度测试和水压试验,测得了浮力块的主要物理性能参数。上述研究结果为浮力块的结构设计、编制我国大深度载人潜水器入级和建造规范中浮力块的结构设计、以及研制同类大深度水下载人/无人潜水器(HOV,ROV,AUV)提供了依据。     

载人潜水器水下传热问题近似计算方法

本文重点提出一种用于计算水下载人潜水器热交换的传热模型,该传热模型首次综合考虑了水下隔热层、空调、蓄热体、热源等因素对舱内温度的影响,在做出一定假设后,问题可简化为一维非稳态传热问题,采用有限差分方法对导热微分方程进行数值求解,并利用Matlab实现程序化计算。利用该程序对某工程算例的不同工况进行计算,将结果与AMESim仿真结果对比分析,验证所提传热模型及计算方法的正确性。该模型与方法为今后水下载人潜水器在热舒适性问题上的研究设计提供了一种便捷技术手段。     

水下直升机运动稳定性分析

文章分析一种新型超机动飞碟形的自主式潜水器—水下直升机的运动稳定性,以实现其在海底复杂的作业任务。采用AYASYS-CFX计算流体力学的仿真模拟技术,分析飞碟形的水下直升机在水平面的机动性和垂直面的运动稳定性等水动力关键技术问题。采用多种数值水池模拟的方法,包括直(斜)航运动和圆池旋臂运动等模拟方法,以计算水下直升机的水动力的稳定性导数、水动力(矩)、随攻角变化的压力中心和阻升比等。在设计航速1 kn的情况下,采用Routh线性水动力导数组成的运动稳定性数学模型,分析其水平及垂直面上的运动稳定性。计算结果说明,水下直升机在水平面上回转运动具有战术直径接近零的超机动能力,同时,在垂直面上具有优于传统鱼雷形潜水器的运动稳定性。