自主式水下机器人动力学建模及水动力性能分析

作     者：余飞翔 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：严天宏

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：水下机器人 CFD 水动力 FLUENT 操纵性 

摘      要：近几十年来,随着海洋科学技术的不断发展,自主式水下机器人(AUV)在海洋科学领域,军事领域和商业领域都起到了重要的作用。AUV的运动具有高度非线性、参数时变性等特点,因此建立精确的运动模型对AUV的运动控制、预测及仿真十分关键。AUV的模型建立的是否精确很大程度上取决于它的水动力参数,所以研究水下机器人的水动力参数变得十分的重要。首先,本文以某自主式水下机器人为研究对象,基于牛顿-欧拉方程的空间六自由度运动方程,建立了水下机器人动力学模型,并分析得到水下机器人受到的力和力矩与水动力系数的关系式。其次,运用CFD方法对水下机器人进行网格划分,然后建立数值计算模型,进行直航数值计算。将计算获得的数据与水槽拖拽试验数据进行了比较,验证数值计算的可行性。同时分析了GPS天线模型对尾流场桨盘面的影响,获得一种较好的GPS天线线型。随后又分别进行了尾舵数值计算以及艇体斜航数值计算,最终获得了直航与斜航相对应的水动力系数。然后,运用Fluent中的动网格技术对水下机器人六自由度运动进行数值计算,获得相应的水动力系数。接着根据数值计算获得的水动力系数进一步进行耦合计算获得其它难以直接试验获得的水动力系数。最后,根据水动力系数分析了水下机器人的稳定性,同时运用MATLAB仿真分析了水下机器人的操纵性和空间运动性。