水下机器人动态对接中的碰撞与稳定控制

为更好地支持多类型水下机器人（AUV）的功能协同工作,进一步提高AUV的综合作业能力,本文针对喇叭口引导式回收坞站动态入坞过程中的碰撞问题,开展水下机器人动态对接技术研究。首先进行AUV的水下受力状况和碰撞相关参数的分析,在此基础上建立AUV入坞碰撞的物理模型,结合Adams/Matlab联合仿真技术,得到碰撞过程中的最大碰撞力,提高了仿真模型的实用性。同时,为解决动态入坞碰撞过程中AUV与移动坞站姿态变化较大的问题,本文设计一套AUV动态入坞的过程控制系统。仿真实验结果可知,该控制系统能够对AUV进行实时姿态调整,实现AUV在复杂场景下的动态回收任务,减少回收对接工作所需要的时间,更好地支持AUV的水下协同工作。     

8530 TEU集装箱船舱口盖导向装置碰撞分析

对8530TEU集装箱船舱口围、舱口盖及其导向装置进行合理简化后,综合应用CAE软件仿真模拟了吊离式舱口盖与导向装置间的接触-碰撞过程.通过动力学仿真分析,得到了所关心的"最大碰撞力-碰撞速度"曲线、导向装置最大位移以及结构最大等效应力等参数.碰撞分析结果可为设计、分析此类结构的提供参考,所建的计算模型可以根据需要进行更加深入的研究.     

AUV水下回收过程中的操纵性仿真研究

在建立自主水下航行器(简称 AUV)六自由度运动模型的基础上,基于势流理论建立了潜艇运动扰动流场对 AUV 扰动力的计算模型,并对回转体 AUV 在回收时靠近潜艇过程中的操纵性进行了仿真,仿真结果显示,AUV 在靠近潜艇的过程中,潜艇扰动流场对 AUV 深度和侧向位移有较大的影响,而对姿态角的影响较小,因此,回转体 AUV 可以稳定地完成水下的回收运动。     

面向AUV水下移动对接的实时路径规划方法

自主水下机器人(AUV)与移动对接平台之间的实时路径规划,是AUV与移动对接平台进行自主对接的使能技术之一。针对复杂动态环境下AUV与水下移动平台对接的实时性和终端姿态需求,研究了一种基于混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming,MILP)的AUV与水下移动平台对接的实时路径规划方法。利用对障碍物约束、AUV本体约束进行相应的分析和线性化,根据多个对接阶段的需求设计了距离收敛、时间最优和姿态最优等不同的目标优化函数,建立了移动对接目标函数,形成相应的多约束线性规划模型,实现对AUV加速度优化,得到满足所有约束且目标函数最优的实时优化路径。最后,在充分考虑AUV实际的动力学模型下的仿真实验分析,验证了此方法的有效性。     

X舵欠驱动AUV凯恩动力学建模

X舵欠驱动AUV结构复杂、舵片与本体之间相互作用力增多,对其进行动力学建模变得非常困难。为了克服相互作用力对建模过程的影响,引入凯恩动力学的相关知识,推导出X舵欠驱动AUV的凯恩动力学模型。以广义坐标为基础,推导出力的作用点处的广义速度、偏速度、偏角速度的计算公式,给出了计算广义主动力和广义惯性力的方法,展示了凯恩动力学的建模步骤。通过水平面和垂直面的仿真结果,验证了该建模方法的有效性。该建模方法可以避免相互作用力的计算,清晰地展示出力对动力学模型的贡献。     

基于主从同步的欠驱动AUV与移动平台水下对接控制

许多应用场合要求水下自主航行器(AUV)与水下移动平台对接来实现能源补充和信息交换功能。针对欠驱动AUV与移动平台的水下对接问题,采用主从式同步跟踪策略,提出AUV接收目标的状态信息并控制自身位置与目标保持一致的控制方法,从而将AUV水下对接的问题转化为AUV与移动目标保持同步运动的问题。在给出移动目标和AUV的水平面线性化动力学模型基础上,设计了在常值海流影响下,欠驱动AUV同步跟踪由卡尔曼算法估计的目标运动轨迹的滑模控制器。使用Lyapunov稳定性理论证明了离散滑模控制器的稳定性,并使用仿真实验验证该控制方案的有效性。     

AUV水下对接的发展与应用现状

为了更好地了解AUV水下对接技术,本文对AUV水下对接技术的现状进行梳理,介绍各个国家对于AUV水下对接系统的研究成果。同时,为进一步阐明AUV水下对接系统的结构,按照自动化实现难度对国内外的AUV水下对接系统进行归类总结。根据整个对接过程中使用的传感器、水下环境和需要的定位信息等因素,对国内外AUV水下对接系统的对接阶段进行划分,并分别讨论各个阶段所需要的导航传感器和定位信息。对于对接精度问题,从对接干扰、对接失误等方面阐述了AUV水下对接时存在的问题和解决方案,并归纳对接控制策略。最后结合AUV对接技术的最新成果,从多个方向探讨了其发展趋势。     

船舶碰撞过程船体表面动力学数值仿真

为保障船舶航运安全,研究船舶碰撞过程船体表面动力学数值仿真方法.考虑船舶的尺寸参数与材料性能参数,选取随动强化模型仿真船舶材料构建船舶有限元模型;设置碰撞速度、角度与位置,材料属性,接触力、摩擦力以及水流对船体的影响等参数,采用Ansys有限元软件内的显示动力学模块求解船舶碰撞过程船体表面动力学方程与能耗耗散方程.结果...     

基于Matlab的AUV近水面运动模型的建立与仿真

该文运用矢量方法对自主式水下航行器(AUV)近水面的六自由度运动方程进行了推导，得到了一个适于在Matlab环境中仿真的高度矢量化的空间运动模型，并用在Matlab的仿真工具箱Simulink中建立的AUV近水面的六自由度运动仿真模块对AUV的近水面运动进行了仿真，在此基础上分析了波浪力对AUV的影响。该模型的建立和仿真为AUV近水面的稳定性分析和控制系统的设计提供了便利的工具。     

基于凯恩动力学的AUV建模

推导出基于凯恩动力学的AUV运动学和动力学方程。采用广义速度取代速度和角速度,给出了广义惯性力和广义主动力的计算方法。推导出作用在AUV上的水动力的计算方法,并通过仿真实验给出了水动力系数。为了验证该模型的有效性,对AUV的深度控制、前进距离控制进行了仿真。仿真结果表明,该模型是有效的。     

船与FRP浮箱非线性动力学碰撞过程的数值仿真

介绍了自定位防船撞FRP浮箱的结构特点;基于ANSYS/LS-DYNA软件平台,对一艘2000DWT散货船与防撞浮箱正撞和8°斜撞的非线性动力学过程进行了数值仿真研究;分析了能量耗散过程、碰撞力衰减时程以及碰撞区的结构变形与损伤失效过程;为该装置的工程设计与工程实验提供了理论依据。     

AUV水下对接控制方法

针对AUV水下对接系统的需求,研究了AUV对接航行中的控制方法。将导引和控制过程分为追踪回归和直线对接2个阶段。通过仿真计算研究,验证了控制策略和算法的可行性。     

刚/柔混合建模的动力机械隔振系统特性分析

基于ADAMS仿真平台,运用多体动力学和有限元技术,提出刚/柔混合的动力机械隔振系统的建模方法,建立某四缸柴油机和简化的矩形平板为其柔性基础的隔振系统的动力学仿真模型.对该模型进行仿真计算得到的系统激振力与理论计算十分吻合.特性分析表明,对于刚度较小的隔振器,系统自振频率会成为导致隔振器支承力变化的主要因素,而对于刚度较大的隔振器,系统的低阶固有频率和激振频率均对隔振器支承力的变化产生重要影响.     

钢悬链线立管整体干涉分析研究

深水海洋立管具有柔性,特别是极端海况条件下,相邻立管之间可能发生互相干涉而增大立管的应力,从而影响其疲劳寿命.钢悬链线立管相比顶张力立管,有效张力较小,对环境载荷作用更加敏感,更容易发生碰撞.基于动力学分析软件OrcaFlex建立有限元模型,从允许碰撞的角度出发,对串列布置于张力腿平台上的两根钢悬链线立管进行整体碰撞分析,研究立管间距、尾流模型、拖曳力系数、海流流速和柔性接头刚度对立管碰撞的影响,阐述对碰撞范围、上下游立管相对运动速度、最大碰撞速度和最大碰撞能量的影响规律,为实际工程中立管的空间布置和结构优化设计提供参考.     

钛合金耐压壳在碰撞下的动力屈曲数值模拟

潜器在航行时有可能与礁石、冰山、其他潜器等发生碰撞事故,碰撞会导致潜器部分结构出现受损、变形、发生屈曲等情况.近年以来,耐压结构在碰撞下的动力屈曲问题引来众多学者的关注与研究.本文利用有限元软件Ansys/Ls-dyna对钛合金耐压壳在碰撞下的动力屈曲展开研究,分析撞击速度对耐压壳动力屈曲的影响.结果表明:在撞击速度达到使耐压壳发生屈曲前,碰撞过程中的最大碰撞力与平均碰撞力的比值可能不变;在不考虑其他因素(耐压壳的厚度,弹性模量,静水压力等)对碰撞力影响的前提下,撞击速度在达到使耐压壳发生动力屈曲前,与最大碰撞力和平均碰撞力近乎呈线性关系.     

纵向地震作用下系杆拱桥与引桥间碰撞响应研究

地震作用下,作为主跨的系杆拱桥与连接跨处容易发生碰撞和落梁现象,本文以双自由度简化分析模型为研究对象,考虑梁间伸缩缝处的碰撞。分析结果表明:周期比是影响碰撞力的主要因素,碰撞对伸缩缝两侧结构地震反应的影响与结构周期相关,周期相近的主跨和边跨碰撞力较小,周期比在0.3~0.4时,峰值碰撞力最大,碰撞可以减低柔性墩柱剪力,减小主跨和边跨之间的相对位移,碰撞力一般随伸缩缝间隙增加而减小。     

AUV水下对接装置的实现及试验

为实现自主式水下机器人(AUV)在水下进行能源补充,设计一种针对重型AUV的水下对接装置,采用直接接触充电方式,通过液压系统驱动首部推行机构、限位夹紧机构和水下插拔机构完成对接动作,模块程度高、充电效率高、数据传输能力强。其中AUV自身携带三角槽,通过定位销对三角槽的切向力以及轴向限位实现AUV六自由度姿态的校正,简单有效,而且降低了AUV入坞时的姿态要求。水池试验结果表明,该对接装置可稳定有效地调整AUV姿态,实现水下有线大功率充电,对接成功率高,工程应用价值高。     

海洋吊索碰撞动力学分析

对考虑弯矩和扭矩条件下的凝集质量法进行了推导,并基于凝集质量法,将吊缆离散成凝集质量模型,并将吊缆间的碰撞力引入到动态分析中,参考某海洋吊缆具体参数,结合海上施工作业的具体过程,通过必要的简化,利用水动力分析软件OrcaFlex建立了海洋吊缆碰撞过程的动力学模型,得到了吊缆间的碰撞力及张力随时间的变化情况等。该仿真结果对研究海洋吊缆的碰撞有一定的指导意义。     

船舶撞击速度对海上风电站结构抗撞性能的影响

为了研究船舶与海上风电站发生碰撞时海上风电站的损伤特性及其抗撞性能,利用非线性有限元动态响应分析程序MSC.Dytran模拟了一艘5000t船舶以不同速度侧向撞击目标风电站的动态过程.在仿真计算中,将船体作为刚性材料处理,风电站作为弹塑性材料处理,周围的水对船体的作用采用附连水质量法处理.通过仿真计算,得到了风电站的结构损伤特性、碰撞力撞深曲线、能量转化曲线及其它相关数据.计算结果表明,风机的破坏主要表现为整体结构的屈曲和局部构件的断裂,撞击船初速度对风电结构的吸能撞深曲线影响不大,碰撞力撞深曲线呈现出强的非线性特征.     

基于L1自适应理论的AUV深度控制器设计

[目的]为抑制自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)运动过程中水动力参数变化和复杂外界环境干扰的影响,针对AUV深度控制通道设计一种自适应控制器。[方法]首先建立AUV系统动力学模型,然后以REMUS AUV系统的纵向控制模型为被控对象设计L1自适应控制器,最后在考虑不同干扰条件下使用Matlab/Simulink对L1自适应控制器进行仿真试验,并与相同环境下PID控制器的效果进行对比。[结果]在受到强外界干扰的条件下,对比PID控制器,L1自适应控制器的控制效果更稳定。且当AUV运动模型中水动力参数发生改变时,L1自适应控制器可以保持稳定。[结论]仿真结果表明,基于L1自适应理论设计的控制器在拥有良好动态响应的同时能够保证抗干扰能力与鲁棒性。