水下機(jī)器人 畢業(yè)論文

1、目 錄1 1 緒論緒論.11.1 研究意義.11.2 AUV 介紹 .21.3 國(guó)內(nèi)外 AUV 研究動(dòng)態(tài).21.4 動(dòng)態(tài)仿真研究現(xiàn)狀.31.5 本文主要研究?jī)?nèi)容.42 2 AUVAUV 總體設(shè)計(jì)和三維建?？傮w設(shè)計(jì)和三維建模.62.1 形體的選擇.62.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容.62.3 三維建模.73 3 AUVAUV 的動(dòng)力學(xué)分析的動(dòng)力學(xué)分析.103.1 坐標(biāo)系.103.2 定義運(yùn)動(dòng)參數(shù).103.3 受力分析.114 4 推進(jìn)器動(dòng)態(tài)仿真推進(jìn)器動(dòng)態(tài)仿真.164.1 ADAMS 仿真 .164.2 FLUENT 仿真 .204.2.1 理論基礎(chǔ).204.2.2 仿真前期準(zhǔn)備.214.2.3 FLUENT 數(shù)

2、值模擬計(jì)算 .235 5 總結(jié)總結(jié).29參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).30致謝致謝.31附圖附圖.32海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 1 頁(yè)1 緒論1.1 研究意義今天的人類正面臨著人口、資源和環(huán)境三大難題。隨著各國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和世界人口的不斷增加，人類消耗的自然資源越來越多，陸地上的資源正日益減少。為了生存和發(fā)展，人們必須尋找新的物質(zhì)來源，海洋應(yīng)當(dāng)是首選。海洋是一個(gè)巨大的資源寶庫(kù)，開發(fā)藍(lán)色國(guó)土，拓展生存和發(fā)展空間， “人類重返海洋”將成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)。世界沿海國(guó)家和地區(qū)正在進(jìn)入全面開發(fā)利用海洋的新時(shí)期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韓、印度以及東盟諸國(guó)等 140 多個(gè)國(guó)家相繼制定海洋科技發(fā)

3、展和海洋開發(fā)計(jì)劃，采取具體措施加快搶占海洋科技的制高點(diǎn)，海洋開發(fā)已成為全球產(chǎn)業(yè)進(jìn)步的重要標(biāo)志，海洋經(jīng)濟(jì)已成為全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。海洋是強(qiáng)國(guó)之本。誰掌握了海洋，誰就掌握了經(jīng)濟(jì)發(fā)展的未來。沒有強(qiáng)大的海洋科技事業(yè)，沒有強(qiáng)大的現(xiàn)代海洋經(jīng)濟(jì)，就不可能成為真正的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)。我國(guó)是海洋大國(guó)，但不是強(qiáng)國(guó)，人均占有陸地面積和資源量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平，研究開發(fā)利用海洋是順應(yīng)世界海洋開發(fā)大潮。為了推動(dòng)海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，科技部、國(guó)家計(jì)委、國(guó)家海洋局、農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推出了“科技興?！庇?jì)劃。 中國(guó)海洋 21 世紀(jì)議程把“科教興?！弊鳛楹Ｑ蠼?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重大意義的戰(zhàn)略選擇。海洋經(jīng)濟(jì)的開放性和帶動(dòng)性，強(qiáng)滲透力、寬

4、輻射，可以拓展新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)空間，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，建立開放型特色經(jīng)濟(jì)，促進(jìn)我國(guó)更快走向世界，對(duì)實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興具有重要政治經(jīng)濟(jì)意義。21 世紀(jì)是人類向海洋進(jìn)軍的世紀(jì)。深海作為人類尚未開發(fā)的寶地和高技術(shù)領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，也是近幾年國(guó)際上激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。水下機(jī)器人作為一種高技術(shù)手段在海洋開發(fā)和利用領(lǐng)域的重要性不亞于宇宙火箭在探索宇宙空間中的作用。然而水下機(jī)器人如果直接進(jìn)行海試或湖試，則需要承擔(dān)極大地風(fēng)險(xiǎn)，由此計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)運(yùn)而生。仿真系統(tǒng)提供一種有效的試驗(yàn)來檢驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)，這種試驗(yàn)可以為設(shè)計(jì)者、使用者和購(gòu)買者揭示和預(yù)測(cè)一些有價(jià)值的信息。仿真系統(tǒng)有助于使各系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的協(xié)

5、調(diào)。另外，仿真系統(tǒng)可以模擬各種場(chǎng)景，用于各種操作訓(xùn)練，節(jié)約實(shí)地訓(xùn)練的費(fèi)用，最大限度地降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)。通過 ADAMS/MATLAB 建立仿真模型，可以實(shí)現(xiàn)海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 2 頁(yè)對(duì)其控制路徑的模擬，降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。在海底工作的動(dòng)力來源就是推進(jìn)器，所以通過對(duì)推進(jìn)器的流體仿真，研究其所受的的阻力以及葉片周圍流體所受的壓力變化，對(duì)于AUV 的運(yùn)動(dòng)控制的精確性具有極大的指導(dǎo)意義。1.2 AUV 介紹當(dāng)前水下機(jī)器人的種類很多，其中載人潛器、有纜潛器(ROVs)和自治水下機(jī)器人(AUVs)是三類最重要的潛器，自治水下機(jī)器人 AUVs 是英語(yǔ)“自治水下潛器”(Autonomous Underwa

6、ter Vehicles)的縮寫。AUVs 不配備主纜和系纜，因此它又稱為無人無纜水下機(jī)器人(Unmanned Untethered Vechiles 縮寫 UUVs)。這類水下機(jī)器人攜帶能源，依靠自身的自治能力來管理自己、控制自己，以完成賦予它的使命，自治水下機(jī)器人也就因此得名。由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)的飛速進(jìn)展，再加上海洋工程和軍事活動(dòng)的需要，國(guó)外產(chǎn)業(yè)界和軍方再次對(duì)無纜水下機(jī)器人發(fā)生了興趣。許多研究表明，無纜水下機(jī)器人是一種非常適合于海底搜索、調(diào)查、識(shí)別和打撈作業(yè)的既經(jīng)濟(jì)又安全的工具。與載人潛水器相比較，它具有安全(無人)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

7、而與 ROVs 相比，它具有活動(dòng)范圍大、潛水深度深、不怕電纜纏繞、可進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中、不需要龐大水面支持、占用甲板面積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)。1111.3 國(guó)內(nèi)外 AUV 研究動(dòng)態(tài)海洋機(jī)器人在過去幾十年間為世界各國(guó)的海軍、石油開發(fā)和救援打撈開辟了嶄新的活動(dòng)領(lǐng)域。用這種高度計(jì)算機(jī)化、有的已開始了不需要人進(jìn)行控制的機(jī)器人進(jìn)行探索海底，可提供關(guān)于海底的大量數(shù)據(jù)。當(dāng)今世界各國(guó)的一些主要的海洋研究中心傾注很大的精力正在研制或使用數(shù)十種可深潛的海底機(jī)器人。在技術(shù)方面，美國(guó)的水平領(lǐng)先于世界，歐洲各國(guó)其次，而日本要落后于美國(guó)和歐洲。這些機(jī)器人的造價(jià)與載人潛水器相比，造價(jià)低得多，但更加安全，而且可長(zhǎng)時(shí)間在壓力很大的海底

8、工作。從上世紀(jì) 90 年代中期以來，自主式水下航行器(AUV)在海洋科學(xué)調(diào)查以及軍事領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。截止到 2005 年，世界上共研制了約 70 艘 AUV，AUV 已經(jīng)多次成功地應(yīng)用于海底石油與天然氣、天然氣水合物、大洋多金屬結(jié)核和熱液硫化物礦床等海洋礦產(chǎn)資源的探測(cè)。AUV 的最新應(yīng)用主要體現(xiàn)在水雷搜索，冰下探測(cè)以及水下作業(yè)中。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 3 頁(yè)目前，美國(guó)在開發(fā)工作方面正朝著無纜預(yù)編程式(即自主式)海底機(jī)器人的方向發(fā)展。在過去的 20 年里，全球各主要國(guó)家所研制的 AUV，其中美國(guó)占了一半。就其性能而言，應(yīng)數(shù)美國(guó)海軍的水下搜索系統(tǒng)(AUSS)和新罕布什爾州大學(xué)

9、的小型 AUV，即試驗(yàn)性的自主式 EAVEEAST，主要用于水下管道和平臺(tái)的檢查。美國(guó) AUV 的研究和開發(fā)經(jīng)費(fèi) 90%來自國(guó)防部的財(cái)政支持，主要通過國(guó)防高技術(shù)研究項(xiàng)目局(DARPA)和海軍有關(guān)部門給予撥款。早在 1988 年，國(guó)防高技術(shù)研究項(xiàng)目局提出了開發(fā)既像無人潛水器 UUV 那樣自由浮游，又像登陸艇那樣能離開水域進(jìn)入內(nèi)陸的兩棲性自主式機(jī)器人。美國(guó)海軍控制和海洋監(jiān)測(cè)中心于 1983 年推出了先進(jìn)的自主式無人搜索系統(tǒng)(AUSS)，本系統(tǒng)的外形尺寸為 510cm75cm，有效負(fù)荷不定。系統(tǒng)用銀鋅電池作為動(dòng)力源，系統(tǒng)配置了側(cè)掃聲納、前視聲納、35mm 靜物照相機(jī)、CCD 水下攝像機(jī)。導(dǎo)航系統(tǒng)由多

10、普勒聲納、先進(jìn)的精密陀螺儀和周期性更新的水聲通道組成；水面母船借助 LBL 發(fā)射應(yīng)答網(wǎng)執(zhí)行跟蹤任務(wù)?，F(xiàn)在 AUSS 為第二代先進(jìn)的作業(yè)型自主式海底機(jī)器人，潛航深度 6000m，用于評(píng)價(jià)深海海底搜索技術(shù)和執(zhí)行深海海底搜索作業(yè)使命。近年來我國(guó)政府十分重視 AUV 的發(fā)展，投入了較大的人力和財(cái)力，在 20 世紀(jì) 90年代我國(guó) AUV 的研制取得了重大突破，典型代表有“探索者”號(hào) 1000 米無人無纜遙控潛水器和“CR-01A”6000 米無人無纜遙控潛水器。自主式無纜海底機(jī)器人是國(guó)家 863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃支持項(xiàng)目，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、聲學(xué)研究所、中國(guó)船舶工業(yè)總公司 702 所、哈爾濱工程大

11、學(xué)、上海交通大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)研制的“探索者”號(hào)自主式無纜海底機(jī)器人，是以大范圍搜索、觀察水下 1000m 或 6000m 失事目標(biāo)為主要使命特征的。我國(guó)在軍用 AUV 的研究中也取得了很好的成績(jī)，研制出三型軍用智能水下航行器。其試驗(yàn)平臺(tái)“智水 II 號(hào)”于 1995 年夏進(jìn)行了湖試，在自主導(dǎo)航、自主避障和自主簡(jiǎn)單作業(yè)等方面取得了成功的試驗(yàn)驗(yàn)證和寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，北京航空航天大學(xué)目前正致力于仿生機(jī)器魚的研究，已研制出多種形式的仿生機(jī)器魚，為水下航行器新型推進(jìn)器技術(shù)和新型結(jié)構(gòu)的研究，奠定了良好的基礎(chǔ)。21.4 動(dòng)態(tài)仿真研究現(xiàn)狀機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)首次出現(xiàn)于 1980 年前后，作為一門新

12、興技術(shù)，它最海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 4 頁(yè)初被應(yīng)用在汽車、鐵路等領(lǐng)域中。Woongsang 等以提高汽車的穩(wěn)定性和控制能力為目標(biāo)，進(jìn)行汽車四輪定位系統(tǒng)研究。由于此前研究都是采用簡(jiǎn)化模型，使用二維結(jié)構(gòu)或以自行車代替，測(cè)得的數(shù)據(jù)很不可靠。后來隨著分析手段的提高，動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)開始大量地應(yīng)用于空間科學(xué)、石油、機(jī)器人等領(lǐng)域，NOEL 通過在動(dòng)力學(xué)分析軟件中建立、分析和優(yōu)化模型，得到了飛機(jī)起落架的動(dòng)態(tài)性能。Arenz 等針對(duì) goliath 移動(dòng)機(jī)器人模型，利用 ADAMS、ANSYS 和 MATLAB 三者聯(lián)合進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并針對(duì) goliath 移動(dòng)機(jī)器人控制算法進(jìn)行研究，然后在動(dòng)

13、力學(xué)仿真軟件中加以檢驗(yàn)。隨著水下機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷的擴(kuò)展，水下機(jī)器人正朝著復(fù)雜化、多功能化方向發(fā)展。AUV 正是一個(gè)由多個(gè)系統(tǒng)組成的復(fù)雜大系統(tǒng)，它包括載體系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、聲納系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)。這不僅增3加了 AUV 各系統(tǒng)之間集成的難度，也使得 AUV 整體性能驗(yàn)證和評(píng)價(jià)成為一件困難的事情。由于 AUV 的復(fù)雜性、智能控制的局限性和環(huán)境感知的低能，因此 AUV 可靠性、穩(wěn)定性和自主能力在沒有得到確切的驗(yàn)證之前，對(duì) AUV 進(jìn)行海上實(shí)驗(yàn)是有很大的危險(xiǎn)性。另一方面，由于海洋環(huán)境復(fù)雜、危險(xiǎn)，在海上進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，除了沒有安全性之外，還有實(shí)驗(yàn)成本高，周期長(zhǎng)的

14、缺點(diǎn)。因此，AUV 整體性能驗(yàn)證和評(píng)價(jià)已經(jīng)成為 AUV 發(fā)展的瓶頸，而建立 AUV 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是解決這個(gè)瓶頸問題的有效途徑?？刂葡到y(tǒng)仿真是控制技術(shù)人員在開發(fā)控制系統(tǒng)時(shí)所經(jīng)常使用的。通?；诤?jiǎn)化的被控系統(tǒng)模型，構(gòu)建控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)控制算法，然后利用仿真分析被控系統(tǒng)的性能（如導(dǎo)彈的反應(yīng)時(shí)間、跟蹤精度等）。1241.5 本文主要研究?jī)?nèi)容借鑒國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的 AUV，采用母型設(shè)計(jì)法，對(duì)其外形和部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使其在達(dá)到總體性能要求的同時(shí)，盡量減小其體積和降低生產(chǎn)成本。在用 SolidWorks 完成三維造型設(shè)計(jì)之后，在 ADAMS 中進(jìn)行仿真分析，建立簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，然后在利用流體仿真軟件 FLUE

15、NT 對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行流體分析，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速下推力情況，具體內(nèi)容如下：第一章 緒論本章論述了研究、開發(fā)、利用和保護(hù)海洋的重要性和迫切性，概述了水下航行器的發(fā)展和應(yīng)用狀況，分析了國(guó)內(nèi)外 AUV 的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)以及現(xiàn)階段對(duì)動(dòng)態(tài)仿真的研海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 5 頁(yè)究，明確了本文研究的任務(wù)、意義和主要內(nèi)容。第二章 AUV 總體設(shè)計(jì)和三維建模本章主要是論述了 AUV 的總體設(shè)計(jì)及形體選擇原則，根據(jù)二維圖紙進(jìn)行三維建模，對(duì)主要零件進(jìn)行功能分析，并簡(jiǎn)要闡述了所研究對(duì)象的主要參數(shù)及工作環(huán)境。第三章 AUV 的動(dòng)力學(xué)分析本章為研究機(jī)器人總體的運(yùn)動(dòng)分別建立了地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系，定義了各運(yùn)動(dòng)參數(shù)。對(duì)海底

16、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，給出了其各方向的受到的合力及力矩方程，并給出了其軌跡方程，由于部分參數(shù)需經(jīng)過海試得出，故此只給出計(jì)算公式。第四章 AUV 動(dòng)態(tài)仿真本章是本文的重點(diǎn)，主要是從兩個(gè)方面對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，一方面是基于ADAMS/MATLAB 進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，建立控制模型，另一方面則是利用 FLUENT 對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行流體仿真，分析不同轉(zhuǎn)速時(shí)葉片所受到的壓力情況以及所產(chǎn)生的推力變化。第五章 總結(jié)海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 6 頁(yè)2 AUV 總體設(shè)計(jì)和三維建模水下機(jī)器人是一種具有人的一部分或大部分功能，能夠在海洋環(huán)境下代替人進(jìn)行某種作業(yè)的自動(dòng)控制裝置。通常是依靠電纜提供的動(dòng)力(有纜水下機(jī)器人)或

17、自身攜帶的能源(無纜水下機(jī)器人)驅(qū)動(dòng)載體上裝有的推進(jìn)器在水下作三維運(yùn)動(dòng)，并可裝設(shè)照明、攝像、聲納等觀測(cè)設(shè)備，多種傳感器及用來完成某種作業(yè)的機(jī)械手和作業(yè)工具。由于海洋開發(fā)所需從事的項(xiàng)目?jī)?nèi)容非常多，實(shí)施的作業(yè)也極富多樣性，因此，水下機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成、形體、總體布置都不盡相同。雖然有許多國(guó)家都在研制和生產(chǎn)水下機(jī)器人，但每種水下機(jī)器人都沒有進(jìn)行批量生產(chǎn)，因此，目前還沒有一個(gè)完善的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但在水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)方面己有一些成功的經(jīng)驗(yàn)，可供設(shè)計(jì)水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)時(shí)作參考。水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的因素很多，主要包括以下幾個(gè)方面:水下機(jī)器人形體的選擇、耐壓殼體的設(shè)計(jì)、推進(jìn)器的布置、水密接插件、重心和浮心的計(jì)算

18、和整體平衡的考慮。2.1 形體的選擇AUV 外形設(shè)計(jì)是 AUV 總體綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分，并直接關(guān)系到 AUV 的諸多戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。AUV 外形設(shè)計(jì)技術(shù)是研究開發(fā)新型 AUV 的必不可少的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。5水下機(jī)器人根據(jù)使用目的和技術(shù)要求的不同，其外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式都有很大差異。一般情況下，形體的選擇要考慮以下原則和要求：6（1）阻力小、航行性能好；（2）足夠的強(qiáng)度；（3）便于總體布置；（4）良好的工藝性。2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容本文所研究的水下機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置來源于 5 個(gè)推進(jìn)器，推進(jìn)器是由 24V、400W 的直流電機(jī)帶動(dòng)，由控制系統(tǒng)對(duì)五個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整以控制機(jī)器人的上升、下潛、旋轉(zhuǎn)等功能，

19、實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整。高壓艙內(nèi)安裝有探測(cè)及發(fā)射裝置，控制系統(tǒng)等海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 7 頁(yè)設(shè)備。本課題所設(shè)計(jì)的對(duì)象包括兩個(gè)高壓艙、五個(gè)推進(jìn)器、兩個(gè)聲納（一個(gè)大聲納、一個(gè)小聲納）以及起支撐作用的框架。該 AUV 在海水中航行時(shí)為中性，即重力與浮力相等且主體的軸線呈水平，海底機(jī)器人航行到達(dá)預(yù)定水域后，推進(jìn)器停止工作，在完成工作任務(wù)后，又通過推進(jìn)器的作用完成返程。2.3 三維建模三維建模的基礎(chǔ)就是二維圖紙的設(shè)計(jì)，三維建模成功與否在很大程度上決定于零件和裝配的設(shè)計(jì)精度，所以在完成設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)該在滿足強(qiáng)度要求的前提下，根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行零件設(shè)計(jì)。完成整體分析后，先由 AutoCAD 完成了設(shè)

20、計(jì)的裝配圖、零件圖，確定各部分尺寸，然后開始用 SolidWorks 建模。所設(shè)計(jì)的三維圖主要包括：（1）高壓艙(如圖 2.1)主要由高壓艙蓋、艙體、高壓球艙蓋三部分組成，共有 2 個(gè)，每個(gè)高壓艙由兩個(gè)卡箍固定于框架之上。材料選用 6063 合金，該材料主要合金元素是鎂和硅，具有極佳的加工性能，優(yōu)良的可焊性、電鍍性，良好的抗腐蝕性、韌性，陽(yáng)極氧化效果優(yōu)良。圖 2.1 高壓艙（2）框架（如圖 2.2）支撐作用，上面固定有高壓艙、推進(jìn)器、聲納等，是由 352 的鋼管焊接而成，上面有 8 處配焊，作用是固定卡箍?？蚣芤冗M(jìn)行密封性試驗(yàn)，在海底工作時(shí)，鋼管海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 8 頁(yè)內(nèi)部充

21、滿氮?dú)?，抵消部分海水壓力，防止其在海底工作時(shí)發(fā)生變形。圖 2.2 AUV 框架（3）推進(jìn)器推進(jìn)器作為整個(gè) AUV 動(dòng)力來源，共有兩種，一種是水平推進(jìn)器，共兩個(gè)，另一種是豎直推進(jìn)器，共三個(gè)，通過推進(jìn)器固定架將其固定于框架之上，各個(gè)推進(jìn)器獨(dú)立工作，相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè) AUV 姿態(tài)的控制。推進(jìn)器上固定有導(dǎo)流罩，主要作用就是在運(yùn)動(dòng)中對(duì)迎面而來的海水阻力進(jìn)行分割化解，從而達(dá)到降低阻力的效果。（4）聲納聲納主要是利用水中聲波對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、定位和通信的電子設(shè)備，是水聲學(xué)中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種裝置。它是該海底機(jī)器人主要的探測(cè)裝備，包括大小聲納各一個(gè)，分別安裝在 AUV 前端的上下部位。所設(shè)計(jì)的三維模

22、型如圖 2.3 所示：海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 9 頁(yè)圖 2.3 AUV 總裝圖大聲納；框架；豎直推進(jìn)器；高壓艙；小聲納；卡箍；水平推進(jìn)器此 AUV 重 208kg，總排水量 206L，長(zhǎng) 1500mm，寬 1240mm，高 920mm，工作深度為800m，壓強(qiáng)約為 8MP，溫度約為 2，正常工作時(shí)的速度 2m/s，主要用于深海探測(cè)。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 10 頁(yè)3 AUV 的動(dòng)力學(xué)分析對(duì) 5 自由度 AUV 的動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究，應(yīng)該考慮重力、浮力、推力以及水動(dòng)力的影響，建立水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人的復(fù)雜水下動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行描述。研究水動(dòng)力的意義：一是從操縱性

23、的角度研究水下機(jī)器人載體的穩(wěn)定性和快速型，另一方面在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)需要考慮水動(dòng)力的影響，以便建立 AUV 的數(shù)學(xué)模型。3.1 坐標(biāo)系為便于研究 AUV 的運(yùn)動(dòng)、數(shù)學(xué)建模與控制，需建立兩個(gè)正交坐標(biāo)系。先建立地面坐標(biāo)系 E- 作為靜坐標(biāo)系，E 為海平面一點(diǎn)，以海平面出發(fā)點(diǎn)為原點(diǎn)，E、E為水平面如圖 3.1 所示： ExGzy 圖 3.1 靜坐標(biāo)系、動(dòng)坐標(biāo)系另外為了便于分析 AUV 還要建立載體坐標(biāo)系即動(dòng)坐標(biāo)系，它與海底機(jī)器人固定在一起，Gx 與其軸向一致，Gy 指向右舷方向，如圖 3.1 所示。本課題所研究的對(duì)象在海底的運(yùn)動(dòng)是 5 自由度的空間運(yùn)動(dòng)，包括沿 x、z 軸的平動(dòng)和繞 x、y、z 軸的轉(zhuǎn)

24、動(dòng)，由 5 個(gè)推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)。3.2 定義運(yùn)動(dòng)參數(shù)V機(jī)器人重心 G 的空間速度矢量V在水平面內(nèi)的投影；海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 11 頁(yè)V機(jī)器人重心 G 的空間速度矢量V在縱垂直面內(nèi)的投影；u、vV在水平面內(nèi)沿 Gx、Gy 方向的分量；u、wV在 Gx、Gz 方向的分量；p、q、r沿 Gx、Gy、Gz 軸的角速度；橫傾角，Gy 軸和 E 軸間的夾角；縱傾角，Gx 軸和 E 軸在縱垂直面的夾角；艏向角，Gx 軸和 E 軸在水平面的夾角。3.3 受力分析為了設(shè)計(jì) AUV 的控制系統(tǒng)，首先需要建立機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。在水下運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)非線性的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，需要確定的參數(shù)較多。由于技術(shù)和

25、測(cè)試條件的限制，有些參數(shù)無法準(zhǔn)確測(cè)定或者無法測(cè)定。為了控制的需要，有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，而只考慮對(duì)系統(tǒng)性能起主要作用的影響因素，這里主要考慮重力、浮力、推力和水動(dòng)力對(duì)機(jī)器人的影響。1.AUV 在水中所受的合外力可用下式表示：1FnFiiFBPT（注：該方程為矢量方程，為矢量和） （3-1）其中：FF作用在 AUV 上的水動(dòng)力；BAUV 的浮力；PAUV 的重力；1niiT所有推進(jìn)器推力之和；iT第 i 個(gè)推進(jìn)器的推力；n推力器的總數(shù)，該處為 n=5。AUV 所受的合外力矩方程：1nFBPTiiMMMMM（注：方程為矢量方程） （3-2）FM、BM、PM、1nTiiM分別為水動(dòng)力、浮力、重

26、力以及推進(jìn)器推力所產(chǎn)生的力矩。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 12 頁(yè)2. 力學(xué)分析（1）推力： （3-3）24TTn D Kn轉(zhuǎn)速srad /D螺旋槳直徑（113mm）推力系數(shù)（經(jīng)驗(yàn)值）TK海水密度(1030)3/mkg（2）軸向力方程： （3-4）.22422.32222121212singggqqrrrpvrwquuuvvwwxm u vrwqxqrypqrzprqLX qX rX rpLX uX vrXwqLX uX vXwTPB等號(hào)左邊描述了水下機(jī)器人合力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，右邊第一項(xiàng)和第三項(xiàng)分別是角速度和速度引起的非線性水動(dòng)力，第二項(xiàng)是慣性水動(dòng)力，第四項(xiàng)是推力，第五項(xiàng)是重力和浮力。

27、（3）側(cè)向力方程： （3-5）.22.4.313222122222*1()21()21()21()212gggpqqrp prpvqwPwrvrpv rvyv vm v wpuryrpzqrpxqprL Y r Y p Yp pY pqY qrL Y v Y vqY wPY wrvL Y urY upYvwrvL Y uY uvY v vwT2()cos sinvwLY vwPB（4）垂向力方程：海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 13 頁(yè) .22.422.313222122222*21()21()2121212gggpprrrqqvrvpwqwqwwwwwwm w uqvpzpqxrpqyrq

28、pL Z q ZpZ rZ rqL Z w Z vrZ vpwLZ uqZvwqwLZ uZ uwZw vwLZ u wZw v1222221()cos sin2zvwwTL Z vPB（5）搖力矩方程、縱力矩方程、偏航力矩方程 （3-7）.5.44132222*3()()()1212121212pxxxxyyggpqqrp prprvvqwpwrvv vvIpIIqrm yw vpuqzv urwpLK rKpKp pKpqK qrLK vK upK urLK vqKwpK wrLK uK uvKv vwL Kcos sinwTxvwphM （3-8）.5.414222132222*()()

29、()12121()2121pyyxxzzggpqqrp prvrvpwqw pwwwIqIIrpm zuwpvrxw vpuqLK rKpKp pKpqK qrLM w M vrM vpLM uqMvwqLM uM uwMw vw132222sinwwwTyLM u wMw vwphM（3-6）海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 14 頁(yè) （3-9）.5.414222322*()()()12121212pzzyyxxggpqqrr rrvqwPwrvrpv rvv vIIIpqm xv urwpyuwqvrLN rNpNr rNpqN qrLN vN vqNwPN wrvLN urN upKvw

30、rvLN uN uvNv v122312vwTzwL N Y vwM式中為推力在坐標(biāo)軸 x、y、z 上的投影；為 x、y、z 軸的推力xTyTzTTxMTyMTzM矩。（6）根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可以將水下機(jī)器人姿態(tài)角與運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中角速度的關(guān)系可以表示為： （3-10）.sincospqtgrtg （3-11）.cossinqr （3-12）.( sincos )/cosqr（7）水下機(jī)器人重心與動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡.cos cos(cossinsinsincos )(cossinsinsinsin )sincos(sinsinsincoscos )(sinsincoscossin

31、)sincos sincoscosgogogouvwuvwuvw （8）有海流（海流速度為 U（） ）時(shí)則水下機(jī)器人相對(duì)于海流的速度為：xuyuzu （3-14）x=u-uRxV （3-15）y=v-uRyV （3-16）z=w-uRzV（3-13）海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 15 頁(yè)若考慮海流作用時(shí)，用相對(duì)海流的速度代替前面公式中的速度即可。本章為研究機(jī)器人總體的運(yùn)動(dòng)分別建立了地面坐標(biāo)系和體坐標(biāo)系，定義了各運(yùn)動(dòng)參數(shù)。對(duì)海底機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，給出了其各方向的受到的合力及力矩方程，并給出了其軌跡方程，由于部分水動(dòng)力參數(shù)需經(jīng)過海試或湖試才可以得出，故此只給出計(jì)算公式。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)

32、態(tài)仿真第 16 頁(yè)4 推進(jìn)器動(dòng)態(tài)仿真AUV 按使命要求在水下平穩(wěn)地航行是其完成各種任務(wù)的基礎(chǔ)，要想保證機(jī)器人平穩(wěn)地航行，選擇正確的控制方法是至關(guān)重要的。盡管現(xiàn)在有許多控制方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)潛器的航行控制，但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說,在滿足項(xiàng)目要求的情況下，應(yīng)選取既可行又實(shí)用的方法。7本文在完成 AUV 的三維設(shè)計(jì)后，用動(dòng)態(tài)仿真軟件 ADAMS 對(duì)單個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，建立正確的控制系統(tǒng)。然后再利用 FLUENT 對(duì)單個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋槳葉片轉(zhuǎn)速與推力的分析。推進(jìn)器模型如圖 4.1 所示：圖 4.1 推進(jìn)器模型4.1 ADAMS 仿真仿真的基本思路主要是針對(duì)單個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確

33、性，在ADAMS 中建立底層控制：AUV 的底層控制AUV 的控制系統(tǒng)包括底層控制和高層控制，高層控制是由計(jì)算機(jī)軟件來完成，底層控制主要由硬件組成，包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器，這部分是其基礎(chǔ)。水下機(jī)器人的底層控制主要包括：13海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 17 頁(yè)(1)水下機(jī)器人的航行控制；(2)作業(yè)工具控制；(3)傳感器控制和信號(hào)控制。本文主要完成第一個(gè)問題即航行控制。其主要參數(shù)是深度、高度、航行速度、航向角和位置等，為了簡(jiǎn)化計(jì)算和便于仿真，本課題將采用典型的 PID 調(diào)節(jié)器作為閉環(huán)系統(tǒng)的控制器進(jìn)行深度控制。該 AUV 采用推進(jìn)器作為動(dòng)力和控制部件。1.推進(jìn)器布置如圖 4.1.1：xzGyT1

34、T2T3T4T5圖 4.1.1 推進(jìn)器布置簡(jiǎn)圖2.自動(dòng)定深回路圖 4.1.2 體現(xiàn)了定深回路的控制框圖：iD 圖 4.1.2 深度控制框圖圖中oD為深度輸出，iD為深度輸入。典型的 PID 調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制方程：0()()()tycpioiiodiodMKDDK DD dKDDdtpK iK dK為調(diào)節(jié)器系數(shù)。3.對(duì)單個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行單自由度仿真（沿 y 向的平動(dòng)）（1）施加約束：重力，螺旋槳產(chǎn)生的推力（根據(jù)推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)由 ADAMS 自動(dòng)調(diào)節(jié)） ，PID推力分配載體深度計(jì)oD（4-1）海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 18 頁(yè)阻力（） ；vv10輸入：推力（tl） ；輸出：位移（weiyi） 、速

35、度（sudu） ；推進(jìn)器的設(shè)定位置：距推進(jìn)器位置 3m 處。（2）在 MATLAB 中建立 PID 控制圖 4.1.3 所示為控制圖：圖 4.1.3 MATLAB/Simulink 控制圖設(shè)定 P gain=200，I gain=25，D gain=100。通過 ADAMS/MATLAB 聯(lián)合仿真得到仿真曲線：（1）位移曲線（如圖 4.1.4）穩(wěn)定振幅 0.02m ：圖 4.1.4 位移曲線（2）速度曲線（如圖 4.1.5）位移/m時(shí)間/s海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 19 頁(yè)穩(wěn)定振幅 0.3m/s：圖 4.1.5 速度曲線圖此控制系統(tǒng)能使推進(jìn)器在允許誤差范圍內(nèi)到達(dá)預(yù)定位置，所以該 PID

36、 控制是正確的，控制方法是實(shí)用的和有效的。為了使控制效果更為理想，可以通過改變 PID 系數(shù)的值得到。采用單一變量法進(jìn)行分析，如表 4.1.1：表表 .1 不同不同 PIDPID 參數(shù)對(duì)比參數(shù)對(duì)比PID位移振幅（m）速度振幅（m/s）200252000.020.35第一組200254000.020.32002002000.0360.58第二組2001002000.0280.4400252000.0250.55第三組100252000.020.2最初200251000.020.3通過減小微分參數(shù)可以減小位移和速度的振幅，增加比例環(huán)節(jié)可以適當(dāng)?shù)臏p小到達(dá)預(yù)定位置的位移，但通過曲線可以

37、看出影響不是非常明顯，所以通過比較選定 PID的參數(shù)分別為 100、25、200，生成的仿真曲線速度振幅 0.2m/s,位移振幅 0.02m。速度 m/s時(shí)間/s海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 20 頁(yè)4.2 FLUENT 仿真對(duì)單個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行 FLUENT 仿真，主要是研究其葉片在給定轉(zhuǎn)速時(shí)葉片上的壓力分布、葉片表面的速度矢量分布以及分析葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的阻力等，對(duì)進(jìn)一步研究AUV 的海底控制有一定的指導(dǎo)意義。4.2.1 理論基礎(chǔ)1.流體流動(dòng)要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，如果流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還要遵守附加的湍流輸運(yùn)方程。8質(zhì)量守

38、恒方程： （4-2） 0ut式中 是流體密度，t 是時(shí)間，u 速度矢量動(dòng)量方程 （4-3）pfdtdu式中微元表面粘性應(yīng)力，p 為流體微元體上的壓力能量守恒方程： （4-4）qqupdtde式中 e 表示內(nèi)能，q 交換熱量狀態(tài)方程：0),(Tqpf內(nèi)能公式：),(Tpee 傅立葉熱傳導(dǎo)公式：，式中 K 為導(dǎo)熱系數(shù) （4-5）TKq2.靜壓、動(dòng)壓、總壓 （4-6）gHgzp221海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 21 頁(yè)靜止的流體所具有的壓強(qiáng)即為靜壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱靜壓，是因流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓221強(qiáng)，稱為動(dòng)壓強(qiáng)，即動(dòng)壓，為總壓強(qiáng)，即總壓。gH9關(guān)于 FLUENT 中所涉及的邊界壓力說明：operati

39、nggaugeabsoluteppp等號(hào)左側(cè)為絕對(duì)壓強(qiáng)，右側(cè)第一項(xiàng)為表壓強(qiáng)，第二項(xiàng)為操作壓強(qiáng)。本文的操作壓強(qiáng)為 8MP。3. k_epsilon（2eqn）模型標(biāo)準(zhǔn)的模型是最基本的二方程模型，k-湍動(dòng)能，epsilon-耗散率。_k動(dòng)力學(xué)湍流粘度定義為：2kCi式中為無量綱常數(shù)。C標(biāo)準(zhǔn)模型、的運(yùn)輸方程：_kk8 （4-7） kMbkjkijiiSYGGxkxxkUtk （4-8）SkCGCGkCxxxUtbkjijii2231)(其中，是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，是由于浮力引起的湍kGkbG動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)，代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，kMY1C2C3C分別是與湍動(dòng)能和耗

40、散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，是用戶定義的源項(xiàng)。kkkSS標(biāo)準(zhǔn)模型中的五個(gè)可調(diào)常數(shù)值為：_k=0.09，=1.00，=1.30，=1.44，=1.92。對(duì)于可壓流體的流動(dòng)計(jì)算中與Ck1C2C浮力有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)主流方向與重力方向平行時(shí)，取 1，當(dāng)主流方向與重力方向垂3C直時(shí)，取 0。4.2.2 仿真前期準(zhǔn)備GAMBIT 前處理網(wǎng)格劃分用 CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱 CFD）方法進(jìn)行海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 22 頁(yè)流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，首先要將計(jì)算區(qū)域離散化，即劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格是 CFD 模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。計(jì)算網(wǎng)格的好壞直接影

41、響到數(shù)值計(jì)算的可行性、收斂性以及計(jì)算精度。主要過程：首先將推進(jìn)器三維模型導(dǎo)入到 GAMBIT 中，建立計(jì)算域，選擇FLUENT5/6 求解器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置邊界條件，輸出網(wǎng)格。1.建立流體區(qū)域：首先將 SolidWorks 生成的推進(jìn)器模型導(dǎo)入 GAMBIT 中，根據(jù)推進(jìn)器的高度和葉片的直徑建立半徑為 120mm，高為 60mm 的圓柱體區(qū)域，通過布爾差運(yùn)算建立最終的流體區(qū)域。2.網(wǎng)格劃分：設(shè)定網(wǎng)格單元為 Tet/Hybrid（網(wǎng)格主要由四面體組成，個(gè)別位置可以有六面體、錐體或楔形體） ，選擇 TGrid 混合網(wǎng)格類型。制定在邊界上分點(diǎn)時(shí)所用的間隔長(zhǎng)度為5，即 Interval size=5

42、。圖 4.2.1 所示為網(wǎng)格劃分圖：圖 4.2.1 網(wǎng)格劃分圖（spacing=5）3.設(shè)定邊界類型（1）選擇 FLUENT5/6 求解器（2）指定邊界類型。葉片類型為 WALL,包括葉片前面，葉片后面和端面，名稱分別為 ypqian，yphou 和 ypduan，輪轂的類型為 WALL，名稱為 lungu，進(jìn)口面的類型為pressure_inlet，名稱為 inlet，出口面的類型為 pressure_outlet，名稱為pressure_outlet。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 23 頁(yè)4.2.3 FLUENT 數(shù)值模擬計(jì)算1.FLUENT 求解步驟：10（1）創(chuàng)建幾何模型和網(wǎng)格模型

43、（在 GAMBIT 前處理軟件中完成） ；（2）啟動(dòng) FLUENT 求解器；（3）導(dǎo)入網(wǎng)格模型；（4）檢查網(wǎng)格模型是否存在問題；（5）選擇求解器及運(yùn)行環(huán)境；（6）決定計(jì)算模型，即是否考慮熱交換，是否考慮粘性，是否存在多相等；（7）設(shè)置材料特性；（8）設(shè)置邊界條件；（9）調(diào)整用于控制求解的有關(guān)參數(shù)；（10）初始化流場(chǎng)；（11）開始求解；（12）顯示求解結(jié)果；（13）保存求解結(jié)果。2.數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算是將描述物理現(xiàn)象的偏微分方程在一定的網(wǎng)格系統(tǒng)內(nèi)離散，用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的場(chǎng)變量值近似描述微分方程中各項(xiàng)所表示的數(shù)學(xué)關(guān)系，按一定的物理定律或數(shù)學(xué)原理構(gòu)造與微分方程相關(guān)的離散代數(shù)方程組。引入邊界條件后求解離散代

44、數(shù)方程組，得到各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)變量分布，用這一離散的場(chǎng)變量分布近似代替原微分方程的解析解。（1）計(jì)算模型 選擇分離式求解器（segregated solver） ，該求解器主要順序地、逐一地求解個(gè)方程。（2）粘性模型 選擇 k_epsilon（2eqn）模型，使用標(biāo)準(zhǔn) k- 雙方程模型進(jìn)行湍流計(jì)算，使用標(biāo)準(zhǔn)的近壁函數(shù)。模型參數(shù)：=0.09，muC44. 11epsilonC92. 12epsilonC海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 24 頁(yè)TKE prandtl number=1，TDR prandtl number=1.3。（3）工作環(huán)境 海底 800m，工作壓力 8MP,海流靜止，溫度 2

45、。（4）邊界條件設(shè)置 設(shè)定進(jìn)出口流體旋轉(zhuǎn)軸為 y 軸，進(jìn)口流體的相對(duì)壓力邊界條件為 0MP，速度初始條件為海流靜止；出口流體的初始條件與進(jìn)口流體一致；葉片壁面（包括 ypqian 和yphou）為靜止壁面（stational） ，計(jì)算域流體設(shè)為動(dòng)網(wǎng)格（moving mesh） ，旋轉(zhuǎn)軸為y 軸。(5)殘差收斂條件(convergence criterion)continuity：0.001；x-velocity：0.001；y-velocity：0.001；z-velocity：0.001；k：0.001；epsilon：0.001。(6)設(shè)置 3 個(gè)監(jiān)視器monitor-1：監(jiān)測(cè)前葉片靜壓變

46、化情況，報(bào)告類型為 area-weighted average，監(jiān)測(cè)表面為 ypqian；monitor-2：監(jiān)測(cè)后葉片靜壓變化情況，報(bào)告類型為 area-weighted average，監(jiān)測(cè)表面為 yphou；monitor-3：監(jiān)測(cè)進(jìn)出口質(zhì)量流量平衡，報(bào)告類型（report type）為 mass flow rate，檢測(cè)表面為 pressure_inlet 和 pressure_outlet。3.仿真運(yùn)算（1）葉片轉(zhuǎn)速為 300rpm，迭代次數(shù) iteraion=100。通過迭代計(jì)算可以得到：（a）殘差歷史continuity=1.9033e-04；x-velocity=9.2473e

47、-04；y-velocity=9.8468e-04；z-velocity=8.6589e-04；k=5.0959e-04；e=9.8342e-04；滿足殘差收斂條件。殘差歷史曲線如圖 4.2.2 所示：海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 25 頁(yè)圖 4.2.2 殘差歷史（b）質(zhì)量流量平衡曲線 Mass Flow Rate 剛開始時(shí)急劇上升最大時(shí)到達(dá) 20kg/s 左右,主要由于剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)海流波動(dòng)較大，經(jīng)過 100 次迭代后，質(zhì)量流量逐步降為-2.0131e-03kg/s，并在其附近波動(dòng)，基本保持平衡，小于設(shè)定的收斂值，即達(dá)到了預(yù)期效果。通過后處理過程可以得到：進(jìn)口流量 pressure_inl

48、et：7.3810244kg/s；出口流量 pressure_outlet：7.379024kg/s；凈流量 net mass-flow：-0.0020003319kg/s。質(zhì)量流量曲線如圖 4.2.3：圖 4.2.3 質(zhì)量流量平衡(c) 阻力系數(shù)變化曲線 海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 26 頁(yè)如圖 4.2.4，由曲線可以看出，在轉(zhuǎn)速為 300rpm 時(shí)，開始時(shí)由于葉片處于靜止的海流中，所以阻力系數(shù)波動(dòng)較大，后來逐步趨向于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為=0.15，阻力dCdC系數(shù)的變化直接反映了阻力的變化，穩(wěn)定時(shí)阻力并不是很大。圖 4.2.4 阻力變化曲線（d）監(jiān)測(cè)葉片前后面靜壓變化通過監(jiān)測(cè)葉片前后面可以

49、得到此時(shí)前后面的靜壓情況，進(jìn)而可以分析產(chǎn)生的推力。ypqian 靜壓穩(wěn)定值為-1.5872e+03pa，yphou 靜壓穩(wěn)定值為 9.2495e+02pa。壓差：=2512.15pa；推力：。p)(589.11312. 014. 315.25122NpsF靜壓變化曲線如圖 4.2.5 和圖 4.2.6： 圖 4.2.5 yphou 靜壓曲線 圖 4.2.6 ypqian 靜壓曲線（e）利用 FLUENT-3D 進(jìn)行后處理在后處理階段，可以得到靜壓等高線圖（如圖 4.2.7，max=6150pa，min=-海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 27 頁(yè)2380pa）和速度矢量圖（如圖 4.2.8，m

50、ax=4.201029m/s，min=0.00999315m/s） 。 4.2.7 葉片靜壓等高線分布圖 4.2.8 速度矢量分布圖通過圖像可以看出葉片的前后面有明顯的壓差，這也是推進(jìn)器推力的來源，也可以看出在葉片的邊緣速度比較大，葉片的連接處壓力較大在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)降低其使用壽命，也容易造成損壞，從而會(huì)對(duì)整個(gè) AUV 的定位等產(chǎn)生影響，加大定位誤差，也會(huì)在一定程度上造成測(cè)量結(jié)果的精度降低。（2）下面分別將轉(zhuǎn)速設(shè)為 400rpm，500rpm，600rpm，800rpm 和 1000rpm，對(duì)比其阻力系數(shù)及葉片前后面靜壓、速度、質(zhì)量流量的變化（靜壓和速度矢量變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速為 300rpm 時(shí)類似

51、，這里不再給出圖像，只給出關(guān)鍵值，如表 4.2.1 所示。圖 4.2.9給出了轉(zhuǎn)速和推力之間的關(guān)系曲線，可以直觀的看出二者的關(guān)系。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 28 頁(yè)圖 4.2.9 葉片推力與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線表表 .1 阻力系數(shù)、流體速度、靜壓對(duì)比阻力系數(shù)、流體速度、靜壓對(duì)比葉片轉(zhuǎn)速（rpm）3004005006008001000阻力系數(shù)dC50.40.751min9.993e-32.419e-24.484e-23.422e-23.115e-21.184e-1葉片流體速度（m/s）max4.2015.6867.1748.65911.74815.138inl

52、et-7.381-12.203-17.178-27.148-39.227-62.727outlet7.37912.20117.17427.19339.22562.736質(zhì)量流量（kg/s）net-2e-3-2.348e-3-4.387e-3-1.846e-3-2.155e-3-9.789e-3ypqian-1.587e+3-2.603e+3-3.952e+3-4.627e+3-7.320e+3-9.695e+3yephou9.250e+21.474e+32.164e+32.107e+32.705e+31.897e+3葉片靜壓（pa）p2512.154077611667341002511592推

53、力（N）ps113.589184.346276.541304.485453.290524.144由表 4.2.1 可以從質(zhì)量流量的結(jié)果看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，質(zhì)量流量損失不斷增加，但在誤差允許范圍以內(nèi)，總體而言，所建計(jì)算域是符合質(zhì)量守恒定律的；根據(jù)阻力和推力值，可以明顯地看出，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，阻力系數(shù)不斷增大，這意味著阻力不斷增大；同時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體各處的速度大小不一，造成海水壓強(qiáng)的變化，葉片前后面間產(chǎn)生壓差，利用壓差推進(jìn)器得以向前運(yùn)動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，葉片前后面之間的壓差不斷增加，這就導(dǎo)致了推力的增加。當(dāng) AUV 在海底運(yùn)動(dòng)時(shí)，因推力的作用向前加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于海水具有一定的粘性而產(chǎn)生阻力，速度越大阻力也越大，最后達(dá)到平衡。海底機(jī)器人的三維設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真第 29 頁(yè)5 總結(jié)從運(yùn)動(dòng)控制的角度出發(fā)，對(duì) AUV 進(jìn)行了力學(xué)研究和水動(dòng)力分析，綜合考慮其所受的重力、浮力等，在三維模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用 ADAMS/MATLAB_Simulink 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)單個(gè)推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行研究與分析，通過仿真曲線較好地說明了所建立的控制系統(tǒng)的正確性。通過 FLUENT 對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行流體