复杂外形潜水器的动力学建模

为建立复杂外形潜水器精确的动力学模型,并基于模型设计控制算法,本文以DOE HD2+2无人遥控潜水器(ROV)为对象,应用计算流体力学(CFD)粘流方法与面元法预测水动力系数.为提高计算速度,在保证计算精度的前提下,采用多面体网格,进行网格优化,减少了流体域的网格总数.由于ROV几何外形不对称,基于最小二乘法分段拟合了阻尼力/力矩与速度的曲线,建立了耦合的阻尼矩阵和附加质量矩阵.最后,基于CFD计算的水动力系数建立了Matlab Simulink动力学仿真模型,并通过水池操控实验对所建动力学模型进行了有效性验证.     

载人潜水器一机械手系统动力学研究

首先介绍了潜水器-机械手系统的一般动力学模型;针对载人潜水器(HOV)作业运动仿真培训的需要,提出了适用于运动仿真的HOV水下机械手动力学、运动学数学模型.结合已建立的HOV六自由度运动仿真模型,进行了HOV-机械手系统动力学运动学仿真计算,给出了三自由度水下机械手典型作业运动时,机械手手端运动轨迹及HOV姿态角变化的仿真结果.计算结果表明了研究的可行性和有效性;研究结果已被用于HOV的模拟培训器中.     

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...     

基于SVR近似模型的潜水器外形优化

流体仿真软件在船舶与海洋结构物概念设计阶段应用广泛。针对潜器外形设计过程中,仿真分析往往需要耗费大量的时间成本,无法直接与优化器结合的问题,本文研究基于支持向量回归机(Support Vector Regression,SVR)的潜器外形优化方法,包括拉丁超立方试验设计选取样本点、基于ICEM的潜器参数化建模和网格自动划分、基于Fluent的阻力计算及SVR模型的构造。采用改进的粒子群算法求解潜器外形优化设计问题,得到了阻力性能优良的潜器外形。     

基于SVR近似模型的潜水器外形优化

流体仿真软件在船舶与海洋结构物概念设计阶段应用广泛。针对潜器外形设计过程中,仿真分析往往需要耗费大量的时间成本,无法直接与优化器结合的问题,本文研究基于支持向量回归机（Support Vector Regres-sion, SVR）的潜器外形优化方法,包括拉丁超立方试验设计选取样本点、基于 ICEM的潜器参数化建模和网格自动划分、基于 Fluent的阻力计算及 SVR模型的构造。采用改进的粒子群算法求解潜器外形优化设计问题,得到了阻力性能优良的潜器外形。     

建造偏差对载人潜水器性能影响的评估

在某型载人潜水器的建造过程中,为了评估建造偏差,保证建造质量,总装建造团队特聘请美国自动精密工程公司（API）的工程师利用激光跟踪仪对潜器壳体表面建造偏差进行了测量。本文根据激光跟踪仪的测量数据,计算了建造偏差,并评估了建造偏差对潜器各项性能的影响。主要内容包括：水下排水量的偏差估算;水下全排水体积浮心位置的偏差估算;湿表面积的偏差估算;测量后的水平方向和横向拱度计算;航速的改变估算;直航保向性能等。最后本文根据建造偏差对各项性能的影响分析,评估偏差的合理性,提出了阶段总装建造的外形质量评估方法。     

大深度载人潜水器耐压壳极限承载力分析

通过对钛合金材料的力学性能试验数据的研究拟合出钛合金材料曲线,同时对泰勒水池公式的计算结果和有限元计算结果进行比较,将泰勒水池公式的有关思想应用于有限元分析结果的处理,对有限元分析的结果进行改进,较好地评估大深度载人潜水器耐压壳体的极限承载力。据此提出在大深度载人潜水器的耐压壳体初步设计阶段可以用该方法对结构的承载力进行预测。     

载人潜水器水平面动力学模型系统辨识

系统辨识是一种通过测量并分析输入与输出响应的数据,建立系统数学模型的方法.基于最小二乘准则,以收缩映射遗传算法为辨识算法,对载人潜水器水动力系数进行辨识,获得了水平面动力学系统数学模型.通过某型深海载人潜水器的运动仿真试验,有效地验证了该种建模方法的正确性.     

基于人因的深海载人潜水器航控界面的优化设计

深海载人潜水器的航控界面存在信息复杂、操作复杂的特征,需通过优化航控软件界面的设计流程,提升软件界面的设计质量,提高驾驶环境下人机交互的可靠性,改善潜航员的驾控体验。以某型深海载人潜水器的实际任务场景为例建立典型航行工况,阐述其航行驾控的人因需求与功能需求,对软件界面的输入端与输出端展开重要性分析,提出以功能构架、交互逻辑、视觉设计、应用开发、评估迭代为指导的系统设计方法。形成了深海载人潜水器航控软件界面方案的人因评价指标,为深海载人潜水器航控软件界面方案的设计提供优选方法,为方案后续全工况覆盖的交互界面设计提供支撑。     

潜水器动态收放缆索过程的动力学仿真研究

调研了解到部分上述高端装备或其他水下平台在水下作业过程中,可能遇到的载荷吊放、载荷拖曳、载荷回收等工况下缆索张力动态非线性变化的问题。基于Ablow提出的缆索偏微分控制方程,通过在采用有限差分法求解过程中动态调整缆索微元的长度进行缆索收放过程仿真,建立了潜水器-缆索-载荷三者间相互耦合的动力学模型,并基于建立的仿真方法对潜水器拖曳载荷进行变深度航行、潜水器变深度直航过程中起吊载荷过程中缆索-载荷系统对潜水器的影响及缆索自身的动态响应特性进行了研究。结果表明：稳定拖曳过程中,由于缆索-载荷系统的阻力,导致速度降低;拖曳起吊过程中的缆索张力变化明显,且缆索张力对收缆的速度变化敏感;拖曳稳定航行段潜水器速度与理论值一致,表明了本文方法的正确性。     

多翼自治水下机器人动力学建模与姿态控制

  目的  自主式水下机器人（AUV）在海洋资源勘探、水下设备检修、水下搜救等领域发挥着重要作用,是探索海洋、开发海洋资源的重要工具。AUV的航向控制是其完成水下作业任务的基础。目前国内工程上多使用常规整数阶PID（比例、积分、微分）控制器进行航向控制,但该方法存在鲁棒性较差和参数整定复杂的问题。  方法  针对以上常规航向控制方法的不足,提出一种基于分数阶PID技术的航向控制器,并结合遗传算法完成控制参数自动整定,以提高控制器的实用性。分别对试凑法整定整数阶PID参数、基于遗传算法整定整数阶和分数阶PID参数的3种航向控制器进行算法仿真对比。  结果  结果表明：基于遗传算法整定分数阶PID参数的航向控制器相较于其他2个控制器,在上升时间与稳态误差基本相当的情况下超调量显著减小。  结论  说明基于遗传算法整定参数的分数阶水下机器人航向控制算法有效并具有优越性。     

Estimation of the hydrodynamic coefficients of the complex-shaped autonomous underwater vehicle TUNA-SAND

Hydrodynamic coefficients strongly affect the dynamic performance of autonomous underwater vehicles (AUVs). Thus it is important to have the true values of the coefficients in order to simulate the AUV’s dynamic performance accurately. Although these coefficients can be predicted by many methods, most are only applicable for AUVs with streamlined shapes. Computational fluid dynamics (CFD) can be applied to estimate the hydrodynamic coefficients of AUVs with complex shapes. In this study, CFD was applied to estimate the hydrodynamic coefficients of the AUV TUNA-SAND (which stands for terrain-based underwater navigable AUV for seafloor and natural resources development), which has a complex block-like structure. First, the validity of the CFD simulation was verified by comparison with experimental results. Second, the relationships between hydrodynamic loads and motions for all six degrees of freedom were analyzed using the simulated results. Third, the importance of each hydrodynamic coefficient was investigated based on these relationships. There are 16 key damping coefficients that relate to viscosity and 12 key inertial coefficients that relate to the potential flow around TUNA-SAND. Finally, the values of all the key coefficients were obtained and verified by comparing the solutions of the simulated dynamics with the experimental results.     

海洋缆索对水下航行器的动态响应

海洋水下拖曳系统在海洋资源开发的过程中发挥着越来越重要的作用。海洋拖缆与水下拖体之间的作用相互影响、相互耦合。尤其是当水下航行器质量较小时,这种影响不可忽略。拖曳缆索的形态变化将直接影响水下航行器的运行轨迹。通过对缆索动态偏微分方程在时间上和空间上离散化处理,将无法确定缆索单元长度的问题转化为缆索单元可确定问题,并采用有限差分法进行了求解,得到了航行器直航状态下缆索的几何形态图和回转状态时缆索的几何形态图。通过将结果与实验值进行对比分析,发现在误差允许范围内(10%),这说明建立的缆索动态模型对航行器运动状态进行预测是可行的。     

水下滑翔机动力学建模及PID控制

为了解决水下滑翔机的控制问题,设计了尾部四螺旋桨来控制滑翔机的俯仰和转向,对水下滑翔机进行运动学和动力学建模,并在其基础上设计了PID控制器。通过Matlab/Simulink仿真和湖试对所设计的PID控制器的有效性进行验证。仿真结果表明在所设计的PID参数下,控制器能够有效地完成水下滑翔机自稳定控制。湖试结果与仿真结果相比较,可以得出设计的PID控制器参数选取合理,能够快速准确地实现姿态的调节。     

大推力水下航行器运动偏移特性数学建模

水下航行器在维持深水域航行探测时需要大推力辅助,很容易产生运动偏移,为了提高水下航行器运动偏移特性数据分析的准确度,设计应用数学坐标建模思想,建立航行器偏移特性数学模型。引入地面坐标系和水下局部坐标系,建立整体坐标系概念,将航行器运行轨迹看做静态坐标变换过程,构建2项坐标转换方式,为了简化计算步骤,根据坐标系概念确定当前航行器水下流体微元,在浮力、环境力和重力引导下确定航行器运动方程表达式,依据运动方程表达式建立矢量控制模型,最终根据欧拉角关系速度矢量和偏转特性,解析控制模型,获取最终数据结果。实验数据表明,该分析模型法向阻力系数计算准确度提高了27%,切向阻力系数提高了22%,可以有效提高数据计算的准确度。     

多矢量推进水下航行器深度分组控制数学建模分析

传统水下航行器控制模型分析算法缺少对矢量动力参数的模型分析计算逻辑,因此造成控制模型分组参量关系分析不足,导致水下航行器控制动力输出量出现偏差的问题。因此,提出多矢量推进水下航行器深度分组控制数学建模分析。通过引入非线性适量运动算法,对水下航行器矢量推进下的运动进行数学模型建立分析;得到运动参数后,引入动力分组控制算法,根据计算得到的运动参数,对水下航行器进行深度分组控制模型的建立计算,从而得到准确的控制参量。最后,通过设计的仿真实验对上述分析结果进行准确性验证,证明提出方法的可行性。     

水下超空泡航行体的多稳态运动

超空泡技术可以大幅提高水下航行体的速度,但在实验中往往受入水状态的影响而运动失稳,针对该问题本文研究航行体的多稳态运动.基于动力学行为分布图和相轨迹图判定了航行体系统具有稳定运动、周期振荡、非周期混沌振荡3种稳态运动,以及稳定运动与周期运动共存、周期运动与混沌运动共存2种多稳态运动现象.并采用仿真工具验证了航行体的多稳...     

水中航行体绕流数值计算研究

水动力设计是水中航行体设计的重要组成部分.文章采用数值算法分别对水中航行体全湿和带空泡两种不同状态水下绕流问题进行了计算研究,并与风洞及水洞试验结果进行了对比.计算结果与试验值吻合较好,验证了数值算法的准确性.同时得到了水下绕流的某些运动规律,研究结果对工程设计起到了一定的帮助作用.