矢量推进水下航行器动力学建模及动力学行为研究.pdf

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1、矢量推进水下航行器动力学建模及动力学行为研究DynamicmodelingandsimulationofVectoredthrusterautonomousunderwatervehicle学科专业：机械工程研究生：林秀桃导师：尹燕副教授企业导师：孙思萍研究员天津大学机械工程学院二零一二年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡

2、献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要近几年来，我国开始注重深海资源的开发与利用。深海丰富的资源能够解决当前我们面临的资源短缺问题。这为水下航行器研究提供了广泛

3、的背景与需求。由于海流、海浪等工作环境干扰大，海洋环境恶劣，对水下航行器的要求越来越高。ROV（RemoteOperatedVehicle）的研究已较成熟，由于AUV（AutonomousUnderwaterVehicle）有比它更好的性能，因此目前AUV是水下航行器研究的热点。而许多AUV在执行任务时，往往航行速度较低。传统的舵控制AUV在低速下操纵性低，无法满足控制要求。矢量推进式AUV由于其在低速下还具有很好的操纵性，这使得矢量推进式AUV具有极大的研究意义。首先建立矢量推进式AUV的数学模型，再用软件仿真和经验公式计算，对水动力系数进行计算。由于A

4、UV的横向-横滚运动、水平面运动与纵垂直面运动存在着耦合关系，提出相应的解耦方法。最后在数学模型和水动力系数的基础上，研究矢量推进式AUV的动力学行为。本文研究的深水AUV采用单矢量推进器进行航向控制的自治式水下航行器，与采用传统的鳍舵进行航向控制的AUV相比，具有更好地低速操控性及定位精度。根据单矢量推进式AUV的特点，将AUV的推力视为螺旋浆转速及矢量推进器摆角的函数，运用Newton－Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型动力学模型，采用四阶五级龙格-库塔方法对单矢量推进式AUV动力学模型进行了求解，在Matlab环境下对其动力学行为进行了仿真

5、预测，并通过湖试验证了所建模型的正确性，为控制系统的设计奠定了基础。本文主要的研究内容有：1、在不考虑浮力系统的情况下，将AUV近似视为一个刚体，运用刚体的动力学定理和运动学推导得到了AUV的数学模型。2、运用Fluent软件计算AUV的水动力系数，查找鱼雷、潜艇等的外形与AUV相似的水下航行器的经验公式对水动力系数进行估算，再对两种方法所得的结果进行比较。3、运用MATLAB和已经得到的数学模型和水动力系数对AUV进行仿真，分别对耦合度较弱的水平面及垂直面进行仿真，并仿真空间螺旋上升运动。同时对仿真结果进行分析。4、研究深水AUV在试验阶段增加的尾翼对A

6、UV整体稳定性的影响。关键词：动力学建模；矢量推进式AUV；数学模型；水动力系数；动力学行为ABSTRACTInrecentyears,Chinahasbeguntofocusonthedevelopmentandutilizationoftheresourcesofthedeepsea,whichprovidesawiderangeofbackgroundsandneedsofUnderwatervehicleresearch.Therichresourcesofthedeepseawillsolvetheproblemsthatwearefacings

7、hortageofresources.DuetoCurrents,waves,andworkenvironmentinterference,theharshmarineenvironment,therequestofunderwatervehicleismoreandmorehigh.ROVresearchhasbeenmoremature,becauseAUVhasbetterperformance,sotheAUVisresearchhotspot.ManyAUVoftensailspeedlowinexecutingthetask.Themaneuv

8、erabilityoftraditionalruddercontr