| 题名 | 基于USV的AUV对接回收系统设计与动力学特性研究 |
| 作者 | 辛传龙 |
| 答辩日期 | 2021-05-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 郑荣 |
| 关键词 | 自主布放回收 水下对接 配重优化 水动力辨识 多体动力学 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 其他题名 | Design and dynamic characteristics study of AUV recovery docking System based on USV |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | 人类历史的脚步已踏遍陆地，走入深空，然而海洋这一广阔的水域，蕴藏着丰富的海洋生物资源、矿物资源和能源，亟待人类深入探索。21世纪，全面认识海洋、开发利用海洋和保护海洋将具有重大战略意义。无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle, USV)和自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)统称为海洋机器人，作为一种有力的海洋装备工具，广泛应用于科考勘探、水文监测、军事作战等领域。随着人类对海洋探索开发目标朝着“更快、更深、更远”方向发展，海洋机器人所担负的作业任务也更加多样化和富有挑战性，性能要求也更高。但是，由于AUV仍受制于水下通信和携带能源有限两大因素，需要对其进行布放回收。目前，成熟可靠的AUV布放回收基本都需要船和人力的支持，这种方式作业成本高，人员风险大，而且工作效率低，难以全天候作业。相比之下，USV在载荷能力、续航时间以及航行速度优势明显，如果两者相互协同协作，基于USV实现无人自主化布放回收AUV，更有利于高效打通水面水下空间的能源补给和信息交互链路，使海洋信息网络立体化。 为实现基于USV自主布放回收AUV，本文提出USV自主部署AUV一体化平台方案，设计了一种适用于静对接、悬浮对接和拖曳动对接场景的新型导向罩开合式AUV接驳装置，并围绕该AUV对接回收系统的运动稳定性、对接准确性以及对接快速性三大基本要求，展开接驳装置配重优化设计和水动力模型辨识、对接回收系统动力学建模和仿真分析、系统接驳过程虚拟样机仿真和AUV接驳过程控制方案研究。具体研究内容和结论如下： (1) 基于对水下对接平台技术以及基于USV对AUV进行动态部署平台研究现状的深入调研，结合实验室现有USV平台和滑道式布放回收装置，提出USV自主部署AUV一体化平台方案。创新设计一体化平台的重要子系统——AUV接驳装置，将传统的固定导引方式改为由开合机构驱动导向罩开合的动态导引方式。这种开合导引抓取对接方式，只要求AUV艏部段增设限位卡环，改装方便且仍保留AUV的光顺外形。还对该平台系统提出工作速度、工作深度、接驳场景以及水中运动姿态等方面的设计要求，作为后续研究的行动指南。 (2) 结合开合对接机构质心位移分析和接驳装置单点系泊悬浮状态的静平衡分析，研究拖点、重心和浮心三心位置与接驳装置悬浮平衡纵倾角的关系。为使接驳系统悬浮平衡纵倾角小且开合机构动作对纵倾角的波动小，以及配重后总质量最小，基于序列二次型规划(Sequential Quadratic Programming, SQP)方法展开对配重铅块、浮力材特征尺寸和拖点位置等配重参数的优化设计。相比经验配重设计，优化配置后装置总质量降低约13.4kg，悬浮平衡纵倾角波动幅值减小90.68%，稳心高增加了7.63mm。 (3) 对接驳装置进行水动力模型辨识是建立运动模型的前提，采用空间拘束运动计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法，并结合拟合优度和显著性统计分析方法对接驳装置水动力模型进行辨识和简化。基于最小二乘法辨识得到的接驳装置水动力系数，利用古尔维茨运动稳定性判据准则，分析证明了接驳装置具备垂直面和水平面的攻角和漂角运动稳定性。 (4) 基于机构质心位移分析和Newton—Euler动力学建立具有变质心特性的接驳装置水下六自由度运动模型，模型综合考虑了导向罩开合造成的质浮心位置、转动惯量以及水动力的变化。将拖缆简化为一变刚度—阻尼轻质弹簧模型，结合拖缆运动和受力边界条件建立系统缆—体耦合运动模型。通过与CFD仿真软件star-CCM+建立的对接回收系统系泊悬浮和拖曳动力学模型求解结果对比，验证了所建运动模型可行。详细分析了外界水流和波浪干扰以及接驳装置拖点变化、导向罩开合对单点系泊悬浮对接回收系统运动的影响；进一步研究了系统拖曳直航和回转操纵的运动响应。除此之外，建立系统垂直面运动准静态模型，计算拖曳系统定常缆形，获得直航拖速、拖架角、缆长、拖曳深度、拖曳力以及拖体纵倾角之间的稳态平衡关系，得到许多有意义的结论，对实际工程有直接指导作用。 (5) 基于机械动力学软件ADAMS与控制仿真软件MATLAB/Simulink联合搭建的AUV对接回收系统仿真模型，对静对接、悬浮对接和拖曳动对接三种对接场景下，不同的AUV接驳控制方案进行仿真分析与对比。综合比较，基于位置—速度闭环的AUV接驳运动控制方案利于实现快速对接，而且具有良好的动对接变速跟踪效果。 最后，通过水池单点系泊悬浮试验，验证了悬浮平衡分析的正确性、配重优化设计的合理性以及对接回收系统具有良好的单点系泊悬浮运动稳定性。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 137页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/28955]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_海洋信息技术装备中心 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 辛传龙. 基于USV的AUV对接回收系统设计与动力学特性研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
| 个性服务 |
| 查看访问统计 |
| 相关权益政策 |
| 暂无数据 |
| 收藏/分享 |
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。
修改评论