水下3000m无人艇设计与仿真

作     者：耿继晨 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘芳华

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：水下无人艇 机械结构 控制系统 仿真研究 

摘      要：水下无人艇是一种可以潜入到水下,依靠自身所携带的能源进行自驱动的自主式水下无人运动平台,可代替人类在水下危险的环境中完成各种任务。通过搭载不同任务模块,水下无人艇能够实现不同的功能。与普通的水下无人艇相比,深水无人艇可在深海的高压环境下工作,执行特殊的深海任务。但特殊的环境也对无人艇提出了更高的要求,还要许多问题需要解决。基于这种情况,本文对水下3000m无人艇进行设计和仿真,内容如下:首先,根据国内外水下无人艇的发展趋势,针对无人艇的设计目标,对无人艇进行总体方案设计,为后续无人艇的详细设计奠定基础。选定无人艇外形为Myring外形,总体布置方式采用横向分段布置,机械系统采用模块化的方法。控制系统采用岸基和舰载相结合的形式,控制算法采用模糊PID算法。其次,运用虚拟样机技术及有限元相关理论,对无人艇机械系统进行详细的设计和仿真,具体包括动力系统、耐压系统、非耐压系统、水平翼的设计。动力系统包括推进系统、转向系统、浮沉系统和电池,其中浮沉系统采用改变油囊体积的形式来调节无人艇的浮力。耐压系统设计采用圆柱形结构的耐压壳,材料选用铝合金7075,通过理论计算和仿真的方法,表明耐压壳具有较高的稳定性。非耐压系统采用薄壳结构,不进行密封,包括头舱、转向舱、浮沉舱和推进舱。水平翼选型为NACA0010翼型。然后,运用Fluent对无人艇的阻力性能进行仿真。建立不同无人艇头部外形和尾部外形的仿真模型进行阻力计算,并绘制外形参数和航行阻力之间的变化曲线。结果显示,当无人艇的头部和尾部较为尖锐,长度较大时航行阻力较小。依据结果对外形参数进行优化,使无人艇的航行阻力趋于最小。最后,在S7-200PLC控制器的基础上对无人艇的控制系统进行设计。无人艇的控制系统包括岸基控制系统和舰载控制系统两部分,两系统之间通过通讯模块进行通讯。根据无人艇的受力和运动状况,建立无人艇的数学模型,并在此基础上设计无人艇的模糊PID控制算法,利用Matlab对算法进行仿真,结果表明模糊PID控制算法具有较好的控制效果。