水下機(jī)器人畢業(yè)論文

1、目錄1 緒論 . 11.1 研究意義 11.2 AUV介紹21.3國內(nèi)外AUV研究動(dòng)態(tài)21.4 動(dòng)態(tài)仿真研究現(xiàn)狀 31.5 本文主要研究內(nèi)容 42 AUV總體設(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 AUV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 推進(jìn)器動(dòng)態(tài)仿真 164.1 ADAM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)值模擬計(jì)算 235 總結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30致謝 31附圖 321緒論1.1研究意義今天的人類正面臨著人口、

2、資源和環(huán)境三大難題。隨著各國經(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，開發(fā)藍(lán)色國土，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。世界沿海國家和地區(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、印度以及東盟諸國等140多個(gè)國家相繼制定海洋科技發(fā)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)展的重要增長點(diǎn)。海 洋是強(qiáng)國之本。誰掌握了海洋，誰就

3、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。我國是海洋大國，但不是強(qiáng)國，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、國家計(jì)委、國家海洋局、 農(nóng)業(yè)部聯(lián)合推出了 “科技興海”計(jì)劃。中國海洋21世紀(jì)議程把“科教興?！弊鳛楹?洋經(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 輻射，可以拓展新的經(jīng)濟(jì)增長空間，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

4、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)成為各國的重要戰(zhàn)略目標(biāo)，也是近幾年國際上激烈競爭的焦點(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、 使用者和購買者揭示和預(yù)測一些有價(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)調(diào)。另外，仿真系統(tǒng)可以模擬各種場景，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立仿真模型，可

5、以實(shí)現(xiàn)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“自治水下潛器” （Autonomous Un derwater 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（Unmann edU ntethered Vechiles縮寫UUVs。這類水下機(jī)器人攜帶能源，

6、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 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)簡單、重量輕、尺寸小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。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)111。1.3國內(nèi)外AUV研究動(dòng)態(tài)海洋機(jī)器人在過去

7、幾十年間為世界各國的海軍、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，美國的水平領(lǐng)先于世界， 歐洲各國其次，而日本要落后于美國和歐洲。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，而且可長時(shí)間在壓力很大的海底工作。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)

8、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。AUV的最新應(yīng)用主要體現(xiàn)在水雷搜索，冰下探測以及水下作業(yè)中。目前，美國在開發(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，全球各主要國家所研制的 AUV其中美國占了一半。就其性能 而言，應(yīng)數(shù)美國海軍的水下搜索系統(tǒng)(AUSS和新罕布什爾州大學(xué)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AUV的研究和開發(fā)經(jīng)費(fèi)90%來自國防部的財(cái)政支持，主要通過國防高技術(shù)研究 項(xiàng)目局(DARPA和海軍有關(guān)部門給予撥款。早在1988年，國防高技術(shù)研究項(xiàng)目局提出

9、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。美國海軍控制和海洋監(jiān)測中心于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510cmK 75cm,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。近年來我國政府十分重視 AUV的發(fā)

10、展，投入了較大的人力和財(cái)力，在20世紀(jì)90年 代我國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)器人是國家863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃支持項(xiàng)目，由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、聲學(xué)研究所、中國船舶工業(yè)總公司702所、哈爾濱工程大學(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。我國在軍用AUV的研究中也取得了很好的成績，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

11、、自主避障和自主簡單 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)2。1.4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，作為一門新興技術(shù)，它最初被應(yīng)用在汽車、鐵路等領(lǐng)域中。Woongsan命以提高汽車的穩(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化模型，使用二維結(jié)構(gòu)或以自行車代替，測得的數(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

12、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ADAMBANSY別MATLA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)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勺復(fù)雜性、智能控制

13、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，周期長的缺點(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?；诤喕谋豢叵到y(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）412。1.5本文主要研究內(nèi)容借鑒國內(nèi)外較為先進(jìn)的AUV采用母型設(shè)計(jì)法，對(duì)其外

14、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ADAM中進(jìn)行仿真分析，建立簡單的控制系統(tǒng)，然后在利用流 體仿真軟件FLUENT寸推進(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，分析了國內(nèi)外 AUV勺研究現(xiàn)狀與趨勢以及現(xiàn)階段對(duì)動(dòng)態(tài)仿真的研究， 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

15、分析，并簡要闡述了所研究對(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行動(dòng)態(tài)仿真，建立控制模型，另一方面則是利用 FLUENT寸推進(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)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

16、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)目內(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)

17、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勺諸多 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勺必不可少的一項(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：(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

18、，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，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整。高壓艙內(nèi)安裝有探測及發(fā)射裝置，控制系統(tǒng)等設(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

19、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)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）主要由咼壓艙蓋、艙體、咼壓球艙蓋三部分組成，共有2個(gè)，每個(gè)咼壓艙由兩個(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35X 2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

20、工作時(shí)，鋼管 內(nèi)部充滿氮?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22 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、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

21、。所設(shè)計(jì)的三維模型如圖2.3所示：圖2.3 AUV總裝圖大聲納；框架；豎直推進(jìn)器；高壓艙；小聲納；一一卡箍；一一水平推進(jìn)器此AUV重 208kg，總排水量206L,長1500mm寬1240mm高920mm工作深度為800m壓強(qiáng)約為8MP溫度約為2C,正常工作時(shí)的速度2m/s，主要用于深海探測。3 AUV的動(dòng)力學(xué)分析對(duì)5自由度AUV勺動(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

22、AUV勺數(shù)學(xué)模型。3.1坐標(biāo)系為便于研究AUV勺運(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- EnZ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)，EE、En為水平面如圖3.1所示：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)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；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、v V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 G

23、y、Gz軸的角速度；© 橫傾角，Gy軸和En軸間的夾角；9縱傾角，Gx軸和EE軸在縱垂直面的夾角; 書艏向角，Gx軸和EE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)和測試條件的限制， 有些參數(shù)無法準(zhǔn)確測定或者無法測定。為了控制的需要，有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的簡化， 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：nF Ff B PTii 1（注：該方程為矢量方程，為矢量和）（

24、3-1 ）其中：Ff 作用在AUV上的水動(dòng)力；B AUV的 浮力；P AUV的 重力；nTii1 所有推進(jìn)器推力之和；斤一第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：nM M F M B MP MTii 1（注：方程為矢量方程）（3-2 ）nMf、Mb、Mp、i /T'分別為水動(dòng)力、浮力、重力以及推進(jìn)器推力所產(chǎn)生的力矩。2.力學(xué)分析(1) 推力：Tn2D垂向力方程：KT(3-3)n轉(zhuǎn)速 rad / sD螺旋槳直徑(113mmKt推力系數(shù)(經(jīng)驗(yàn)值)海水密度(1030 kg/m3)(2) 軸向力方程：2 2m uvrwq Xg qryg pq rZg pr

25、q12L42 2X qq qX rr rXrprp1L3X. u XvrvrXwqwq(3-4)2u12L222XuuUXvvvXwwW2TxPB sin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。(3) 側(cè)向力方程：2 2m v wp ur yg r pZg qr p Xg qp r1 L4(Y'rY'pYp|p|PpYpqPqYqr)2 r p1 3'.'-L3(Y v Yvqvq YwpWP Ywwr)2 vM41( 3-5)-L3(Yur

26、 Ypup &打 v2 w2 2 |r)1 1-L2(Yu2 乂uv Yv|vV v2 w2 2) Ty1 2 'L Y<wvw (P B)cos sin2uq vpzg pXgrpqYg rq p4'L (Z.qq' 2ZppP乙rr2Zrqrq)L3(Z'. wwZwvrZ；pvp)L3ZquqwZwq w(3-6)L2Z*u2w21iiUw1Zw w|1w v2w2 2|w|ZwuwB)cossinZv2L2Zw|w w1遼加2 (PTz(5)搖力矩方程、縱力矩方程、偏航力矩方程I XX p(Ixx Iyy)qr m Yg (w vp uq)

27、 Zg (v ur wp)L5K- r K. p Kp|p|P prpKpq pq Kqqr1212L4L4K. v Kpup KrurvKVqVqKwpwpKwrwr(3-7)L3'2K*uKvuv KvL3K；wVwphcos sinMTxlyyq(I xx I zz)rp m Zg (u wpvr)Xg(w vp uq)L5K. rK' p Kpp|P ppKpq pqKqrqrL4Mv,rMvpVpM quqM |w p(3-8)2 2 2(v w )2 qL3M*u21|wu wMwwWv2 w"M2L3MTyM wuw Mw|w|Wph sinIzz(Iy

28、y I xx) pq m Xg(v urwp) yg(u wq vr)1212L5L4N. rN. vvN. pNr|r|r rpNpq pqNqqrNvqVqNwpWPNwrwr(3-9)L4NrurNpupv2 w2L3N*u2N；uvNvv2w2L3NYwVWMTz式中TxTy Tz為推力在坐標(biāo)軸y、z上的投影；Mtx MTy Mtz為x、y、z軸的推力矩。（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:p qtgsinrtg cos（3-10）qcosr si n（3-11）(qsinr cos)/cos（3-12）水下機(jī)器人重心與動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，水下

29、機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡o ucos cos v(cos sin sin sin cos ) w(cos sin sin sin sin )o usin cos v(sin sin sin cos cos ) w(sin sin cos cos sin )usin vcos sin wcos cos(3-13)(3-14)(3-15)(3-16)(8)有海流（海流速度為U （ Ux Uy Uz ）時(shí)則水下機(jī)器人相對(duì)于海流的速度為:Vrx = u-uxVRy=v-uyVrz=W-uz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

30、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。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)用的本文在完成AUV勺三維設(shè)計(jì)后，用動(dòng)態(tài)仿真軟件ADAM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

31、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)確性，在ADAMS 中建立底層控制：AUV勺底層控制AUV勺控制系統(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:(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A

32、UV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:T12. 自動(dòng)定深回路圖體現(xiàn)了定深回路的控制框圖:Di9Do圖4.1.2深度控制框圖圖中Do為深度輸出，Di為深度輸入 典型的PID調(diào)節(jié)器閉環(huán)控制方程：plKd 評(píng)Do)(4-1 )tMyc Kp(Di Do) Ki(Di Do)d0Kp Ki Kd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 ADAM自動(dòng)調(diào)節(jié))，阻力(10vv );輸入：推力（tl ）;輸出：位移（weiyi ）、速度（sudu）;推進(jìn)器的設(shè)定位置：距推進(jìn)器位置 3m處（2）在MATLAB建

33、立PID控制圖所示為控制圖：圖 4.1.3 MATLAB/Simulink 控制圖時(shí)間/s圖4.1.4位移曲線設(shè)定 P gain=200, I gain=25 ， D gain=100。通過ADAMS/MATLAB合仿真得到仿真曲線：（1）位移曲線（如圖）穩(wěn)定振幅0.02m :位 移/m（2）速度曲線（如圖）穩(wěn)定振幅0.3m/s :' 1 1 1 1速 度m/s1 1時(shí)間/S圖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P(yáng)ID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:表不同P

34、ID參數(shù)對(duì)比第一組PID位移振幅（m）速度振幅（m/s）200252000.020.35200254000.020.3第二組2002002000.0360.582001002000.0280.4第三組400252000.0250.55100252000.020.2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。4.2 FLUENT 仿真對(duì)單個(gè)推進(jìn)器進(jìn)行FLUENTS真，主要

35、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勺海底控制有一定的指導(dǎo)意義。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)量守恒方程:u 0t式中P是流體密度，t是時(shí)間，U速度矢量動(dòng)量方程 du f pdt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：deP u q qdt式中e表示內(nèi)能，q交換熱量狀態(tài)方程：f(P,q,T) 0內(nèi)能公式：e e(p,T)傅立葉熱傳導(dǎo)公式：q K T ,式中

36、K為導(dǎo)熱系數(shù)2. 靜壓、動(dòng)壓、總壓1 2pgz gH(4-2)(4-3)(4-4)(4-5)(4-6)2靜止的流體所具有的壓強(qiáng)即為靜壓強(qiáng)，簡稱靜壓，-2是因流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓2強(qiáng)，稱為動(dòng)壓強(qiáng)，即動(dòng)壓，gH為總壓強(qiáng)，即總壓9。關(guān)于FLUENT中所涉及的邊界壓力說明：PabsoluteP gaugeP operat ing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8MP3. k_epsilo n（2eq n）模型標(biāo)準(zhǔn)的k_模型是最基本的二方程模型，k-湍動(dòng)能，epsilon-耗散率動(dòng)力學(xué)湍流粘度定義為:k2式中C為無量綱常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)k_模型k、 的運(yùn)輸方程8:kkUi

37、XjikGkkXjGbYmSk（4-7）tXiUiC1 GxjkC3 Gb )C22S k（4-8）tXiXj其中，Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是由于浮力引起的湍 動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Ym代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，G C2 C3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，k 分 別是與湍動(dòng)能k和耗散率 對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，SkS是用戶定義的源項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)k_模型中的五個(gè)可調(diào)常數(shù)值為：C =0.09， k=1.00，=1.30，G =1.44，C2 =1.92。對(duì)于可壓流體的流動(dòng)計(jì)算中與浮力有關(guān)的系數(shù) C3，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直時(shí)，取 0。仿真前期準(zhǔn)備GAMBIT前處理一一

38、網(wǎng)格劃分用CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD方法進(jìn)行流場計(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 GAMBI沖，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60mnm勺圓柱體區(qū)域，通過布爾差運(yùn)算建立最終的流體區(qū) 域

39、。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)所用的間隔長度為5,即 Interval size=5 。圖所示為網(wǎng)格劃分圖：圖網(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 pressurenlet，名稱為in let ，出口面的類型為 pressure_outle

40、t ，名稱為pressure_outlet 。423 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（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；（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

41、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數(shù)方程組，得到各 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的場變量分布，用這一離散的場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)：Cmu=0.09， C1 epsilon 1.44， C2 epsilon 1.92，TKE prandtl number=1

42、 ，TDR prandtl number=1.3 。(3) 工作環(huán)境海底800n，工作壓力8MP海流靜止，溫度2C。(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(movingmesh),旋轉(zhuǎn)軸為y軸。(5) 殘差收斂條件(con verge nee criteri on)continuity : 0.001 ; x-velocity : 0.001 ; y-velocity : 0.001 ;z-

43、velocity : 0.001 ; k: 0.001 ； epsilon : 0.001。(6) 設(shè)置3個(gè)監(jiān)視器mon itor-1 :監(jiān)測前葉片靜壓變化情況，報(bào)告類型為area-weighted average ，監(jiān)測表面為ypqian ；monitor-2 :監(jiān)測后葉片靜壓變化情況，報(bào)告類型為area-weighted average ，監(jiān)測表面為yphou；monitor-3 :監(jiān)測進(jìn)出口質(zhì)量流量平衡，報(bào)告類型(report type )為massflow rate， 檢測表面為 pressure_inlet和 pressure_outlet 。3. 仿真運(yùn)算(1)葉片轉(zhuǎn)速為300rp

44、m,迭代次數(shù)iteraion=100 。通過迭代計(jì)算可以得到：(a)殘差歷史contin uity=1.9033e-04；x-velocity=9.2473e-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422所示：圖422 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

45、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 pressurenlet: 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:圖4.2.3質(zhì)量流量平衡(C)阻力系數(shù)變化曲線如圖424，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)Cd波動(dòng)較大，后來逐步趨向于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為Cd =0.15，阻力系數(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424阻力變化曲線（d）監(jiān)

46、測葉片前后面靜壓變化通過監(jiān)測葉片前后面可以得到此時(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。Area（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（如圖和速度矢量圖（如圖 428，max=4.201029m/s,4.2.7 ，max=6150pa min=-2380pa)min=0.00999315m/s)。壓差：p=2512.15pa;推力：F ps 2512.15 3.14 0.122113.589(N)。靜壓變化曲線如圖425和圖426 :427 葉片靜壓等高

47、線分布圖428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lOOOrpm,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與轉(zhuǎn)速 為300rpm時(shí)類似，這里不再給出圖像，只給出關(guān)鍵值，如表421所示。圖429給出了轉(zhuǎn)速和推力之間的關(guān)系曲線，可以直觀的

48、看出二者的關(guān)系。450400350300260200卜50*or0Dnu3葉片推力與轉(zhuǎn)速姜系曲線400500600 、700800900 WOO轉(zhuǎn) ij/rpm圖429葉片推力與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線表阻力系數(shù)、流體速度、靜壓對(duì)比葉片轉(zhuǎn)速（rpm）3004005006008001000阻力系數(shù)cd50.40.751葉片 流體 速度（m/s）min9.993e-32.419e-24.484e-23.422e-23.115e-21.184e-1max4.2015.6867.1748.65911.74815.138質(zhì)量流量（kg/s）in let-7.381-12.203-17.178-2

49、7.148-39.227-62.727outlet7.37912.20117.17427.19339.22562.736net-2e-3-2.348e-3-4.387e-3-1.846e-3-2.155e-3-9.789e-3葉片 靜壓（pa）ypqia n-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+3p2512.154077611667341002511592推力（Nps113.589184.346276.541304.48

50、5453.290524.144由表421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。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_Simulin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寸推進(jìn)器進(jìn)行流體仿真，得到