水陆两栖机器人水下动力学建模及操纵性研究

针对多模态水陆两栖机器人作业环境复杂使得水下运动状态难以预报等难题,基于 CFD 方法求解的水动力系数,构建了机器人水下运动的五自由度动力学和运动学模型。基于机器人水下动力学模型,采用四阶经典龙格库塔法,开展了机器人直航运动及水平面回转运动数值仿真研究,并进行了水池试验验证。 试验结果数据与数值仿真结果误差均不超过 10%,验证了机器人水动力系数及五自由度动力学模型的准确性, 为水陆两栖机器人研制提供了理论与技术支撑。     

单点系泊潜标系统动力学建模与姿态分析

通过对单点系泊潜标进行动力学分析,利用集中质量法建立系统的动力学模型,编制Matlab仿真程序,通过数值模拟获取不同海流条件下,分析潜标系统的姿态。文中将一个典型潜标系统的浮球、锚链、重力锚等部件,利用集中质量法简化为节点,通过模拟真实环境中的海流流速在垂直方向的分布,设计1～5 m/s的流速剖面分布。将节点的物理参数和海流参数代入仿真程序中,得到各节点的姿态、节点间张力以及重力锚与海底摩擦力等数据。分析仿真结果,海流流速与节点的偏降、节点间的张力以及重力锚与海底的摩擦力成正比,仿真结果与实际情况相符。文中设计的建模方法和仿真程序可以为单点系泊潜标的总体设计、姿态估算、锚系配置提供工程参考。     

一种八推进器水下机器人动力学分析

随着对水下机器人研究的逐步深入,其运动能力已由早期单纯的平动逐步强化为有多个自由度的空间运动,对其进行动力学研究是进行其它方面能力研究的基础。为研究多自由度水下机器人的运动,对某型八推进器水下机器人进行了动力学方程建模,得出了其在6个自由度上的运动方程,在此基础上,对其进行了运动仿真及性能分析,得到了该型水下机器人在6个自由度上的运动性能。通过仿真计算的结果,可以直观地了解其运动能力。     

履带式深海采矿车软底质行走性能分析

海底底质的物理力学参数不同于陆地土壤,其极低的抗剪强度和承压强度对深海采矿车的行走性能提出高要求。分析基于车辆地面力学理论,开展了底质土力学特性试验研究,建立了深海底质力学模型。根据深海重载作业采矿车样机结构参数,在大型动力学仿真软件Recurdyn中建立了仿真模型。通过直线行走多体动力学仿真与直线行走海试试验的对比,验证了仿真模型的准确性。在此基础上开展了采矿车样机在深海软底质上的多种行走工况动力学仿真,分析与评价其行走性能。结果表明,采矿车样机可以顺利完成转弯、爬坡、越障等基本功能。该研究成果可为深海采矿车海底行走性能评估提供理论参考,为深海采矿车和软底质的相互作用力学研究提供借鉴。     

可着陆式水下机器人的多体动力学建模与仿真

可着陆式水下机器人由于变浮力机构的设计要求,其外形与结构较之传统的水下航行器更为复杂。在设计阶段对可着陆式水下机器人进行仿真和操纵性分析具有重要意义。文中采用多体系统动力学方法分析可着陆式水下机器人动力学特性,将作用在系统各组成部分上的流体动力、推进力以及其它作用力分别计算和考虑,建立了多体动力学模型,并进行了三维空间运动仿真。该方法为具有较复杂附体结构的水下机器人设计和动力学仿真提供了有效途径。     

海底沉积物保真采样器保温性能的数值模拟与实验研究

提出了一种新型海底沉积物原位保真采样系统.该系统通过机械机构实现样品舱原位转移和封装.并且样品舱的保温保压性能决定着样品分析数据的真实性.依据能量守恒定律.建立了样品舱保温模型非稳态传热的导热微分方程,并用有限元法对非稳态传热进行了数模计算;根据保温模型试验和温度场变化规律仿真数据,构建了参数优化设计模型.为海底沉积物保真采样系统快速设计提供了理论依据.实验和模拟分析结果表明.所建模型与实际情况吻合较好,可以满足实际工程要求.对海底油气勘探具有重要意义.     

深海钻机盘式储芯机构动力学分析

为确保储芯机构设计和工作的可靠性,对储芯机构的动力学特性进行了分析。首先,将转盘油缸的活塞杆等效为一滑块,两端的铰接耳等效为转动副,构建了活塞杆驱动储芯机构的动力学模型;其次,采用Simulink建立了活塞杆驱动储芯机构的仿真模型,并对该机构进行了运动学和动力学分析。仿真分析了储芯机构的运动规律,以及不同驱动速度下,铰接点和油缸受力的变化规律,给深海底钻机储芯机构运动参数的确定提供了指导,也为储芯机构关键部件的设计提供了理论依据。     

水下滑翔器的运动建模与分析

介绍了水下滑翔器的工作机理，对其沉浮阶段的滑翔过程进行了动力学分析，推导了滑翔器在垂直剖面上的动力学方程。论文深入分析了水下滑翔器稳态时的运动规律，以水下滑翔器试验模型为例，推导了其稳态运动参数，通过线性化与适当的简化，得到模型在垂直剖面上的运动状态方程，讨论了系统的可控性与可观测性，为水下滑翔器系统的开发设计和控制提供了理论依据，具有重要的指导意义。     

GPS观测数据的建模与仿真

在研究GPS系统的基础上建立了GPS观测数据的仿真模型,编制了相应的计算机程序。仿真模型包括卫星参数模型、动力学模型和观测误差模型。仿真计算表明,卫星参数模型和动力学模型真实地反映了卫星的运动规律;误差模型反映了观测环境对信号传播的影响。同时可以调节和选择仿真模型的参数,仿真选择了地面静态和地面低动态的观测数据,这对于论证GPS定轨、导航算法、设计GPS接收机等有一定的实用价值。     

浅海海底管线检测艇操纵性和运动仿真研究

研究了用于维护和检修中国渤海海域输油管道的浅海管道检测艇的操纵性和运动仿真,提出了浅海海底管道检测艇的水动力学方程。为了更好地了解在配置上与一般潜器不同的浅海海底管线检测艇的动力学性能,通过水动力系数分析,研究了浅海海底管线检测艇的操纵性。最后根据运动方程建立了仿真系统,并通过仿真试验结果验证了仿真试验平台的可行性和可靠性。     

水下非均匀拖缆稳态动力学分析

水下拖缆物理参数不均匀会影响拖缆的动力特性,研究非均匀拖缆的参数变化对拖缆动力特性的影响有一定的工程实际意义。建立了拖曳系统运动的三维数学模型,推导出了水下非均匀拖缆的稳态运动控制方程,在首尾两端加上相应的定解条件,直接求得或使用嵌套二分法求得非均匀拖缆在端点的初始值,进而求解稳态动力学方程。借助文献中的拖缆—海底拖车系统算例,通过计算结果的对比,验证了数学模型及计算方法的正确性。通过四阶龙格库塔法进行数值仿真计算,得到了稳态解,分析了非均匀拖缆自身物理参数变化对缆绳系统稳态运动的影响。结果表明,非均匀拖缆的切向阻力系数、法向阻力系数、直径和密度变化会影响稳态缆形和张力分布,影响的程度各不相同。最后给出了两个尾拖船系统非均匀拖缆的稳态运动算例。     

全海深ARV动力学建模及简化研究

以全海深自主遥控水下机器人(AutonomousRemotely-operated Vehicle, ARV)为研究对象,针对全海深ARV的稳定航行和作业控制需求,借助潜艇标准运动方程建立直航动力学模型,还提出使用多元函数泰勒展开的方法建立独立的垂直运动动力学模型。其次,以节约计算机资源为目的,采用拟合优度分析、显著性检验和全局敏感性分析的方法剔除动力学模型中不重要的水动力系数项,得到简化的动力学模型。将初始和简化动力学方程的拟合结果与计算流体力学仿真(Computational Fluid Dynamics, CFD)计算结果进行对比分析,对比结果表明,全海深ARV直航和垂直运动动力学模型和简化动力学模型均是可靠的。     

海底多金属硫化物材料本构模型研究

为得到适用于数值模拟的海底多金属硫化物材料本构模型,针对海底多金属硫化物试样进行了不同围压下的单/三轴压缩实验,得到物理力学特性参数,对比分析常用描述岩石物理力学行为的本构模型及岩石微元强度准则,选择了合适的材料本构模型并确定了相应参数,并通过单个单元的仿真验证了模型的正确性,且仿真结果表明当海水围压超过20~25MPa区间内的某特定值时,多金属硫化物将会产生明显的脆-延转化。进一步基于该模型开展了高围压条件下双截齿切削海底多金属硫化物数值模拟的动力学特性研究,仿真结果表明随着围压增大,截齿受到的截割阻力及进给阻力显著增大,载荷波动性降低。     

基于模糊PID的深海采矿机器人路径跟踪控制

深海采矿作业中,由于海底软泥稀软,采矿机器人极易打滑,以及海底地形、海流等干扰,采矿机器人容易偏离预定路径。针对采矿机器人的海底作业过程中路径跟踪问题,设计并分析了深海采矿机器人的路径跟踪控制系统。首先提出了艏向控制实现采矿机器人路径跟踪的控制算法,通过采矿机器人与当前目标点相对位置计算采矿机器人的目标艏向角,后基于运动学模型建立模糊比例积分微分(PID)的控制方法控制采矿机器人两侧转速差值进而控制采矿机器人艏向,从而使机器人按目标路径行走;同时为了防止输入过大引起打滑,基于动力学模型数值分析了采矿机器人主动轮角加速度与打滑率之间的关系,采取限制主动轮角加速度方式防止采矿机器人过度打滑;最后通过Matlab/Simulink建立系统模型对系统进行仿真分析。仿真结果表明,该控制算法能够良好地完成采矿机器人的路径跟踪任务。     

快速液动网络仿水母软体机器人的结构优化

水母在海洋内分布深度范围大,经过数亿年的进化,它具备极强的环境适应性,提出了一种新型仿水母软体机器人结构。为避免以往仿水母机器人的缺陷,采用快速液动网络（Fast Liquid Network,简称 FLN）构建驱动结构,采用电推杆来实现仿水母软体机器人的外伞摆动。新的设计具有全封闭结构,适合独立自主和大水深环境下运行。构建了仿水母软体机器人的总体模型,基于 Yeoh 超弹性材料本构模型对机器人进行有限元仿真优化,获得了优化的结构参数（腔室和驱动器的尺寸）。采用精密加工模具实现了软体结构的制作,采用弹簧钢片对软体结构进行刚度加强,通过各部件的联接实现了模型的系统集成。通过对原型机的测试,实现了仿水母机器人水下自主上浮运动,验证了本设计方案的可行性。     

水下机器人光纤微缆动力学研究

讨论了水下机器人远程通信光纤微缆的动力学问题,研究分析了在海洋层流条件下水下机器人的运动对光纤微缆张力的影响,在仿真分析的基础上提出了对光纤微缆收放系统的设计要求并给出了概念设计方案。     

大鹏湾夜光藻赤潮的营养动力学模型

根据大鹏湾夜光藻Noctilucascintillans赤潮发生要素的结构关系，利用生物种群生态学和营养动力学的原理，提出夜光藻－硅藻－营养物质三者相关的动力学模型，模型中的参数将体现海况环境的有关因素。文中利用微分方程动力系统理论对模型作出定性分析，给出赤潮发生与否的某些判别条件；并根据1991年3月1日一4月30日大鹏湾所发生的夜光藻赤潮数据分别对1次赤潮全过程和有连续3次赤潮的情形进行了有效的数值模拟，所得结果对赤潮的预测预报研究有一定的参考价值。     

基于Newton法优化ARMA模型参数的船舶升沉运动预测研究

为解决波浪补偿系统中时延现象导致的控制性能下降问题,通过建立Newton-ARMA模型提前预测船舶升沉运动来消除时延现象。首先设计卡尔曼滤波器对船舶升沉运动加速度信号进行降噪滤波处理;然后使用加速度二次积分模块将加速度信号转换为位移信号;最后建立自回归滑动平均(ARMA)模型,并使用牛顿(Newton)法对模型参数进行优化,得到船舶升沉运动的Newton-ARMA预测模型。仿真结果表明,Newton-ARMA模型对船舶升沉运动的预测时间可达10 s,预测误差随着预测时间的增加而增大; Newton-ARMA模型对二级海况、三级海况和四级海况下的船舶升沉运动平均预测精度分别达到89.43%、88.53%以及87.78%,远高于ARMA模型对船舶升沉运动预测的精度,说明采用Newton法优化ARMA模型参数可以显著提高船舶升沉运动的预测精度,也即Newton-ARMA模型对控制波浪补偿系统时延具有较好的补偿效果。     

超低频电磁声源非线性动力学建模与分析

电磁声源输出力大、体积小、易于实现超低频输出,在无人反水雷作战中具有显著优势。其动力学行为受到机械回复力和电磁力的耦合作用影响,当施加电流超过坍塌电流,电磁力将超过机械回复力, 就会发生吸和,造成声源的损坏。为准确描述电磁声源非线性动力学特性,预先评估坍塌电流,建立考虑动态漏磁系数的声源非线性动力学模型。通过三维有限元仿真计算动铁芯运动到不同位置处气隙的漏磁系数, 拟合得到动态漏磁系数。根据等效磁路法建立声源的改进电磁力模型,进而建立电磁声源非线性动力学模型。 通过 Runge-Kutta 算法计算得到阶跃激励下声源振动的位移和速度,绘制相平面图。研究稳定与失稳 2 种情况下的相轨迹的动态变化规律,为电磁声源的设计和控制提供理论支撑。     

海洋环境中混凝土结构服役寿命预测

通过参数定义对Fick定律的不合理假定进行修正,推导氯离子在混凝土中扩散的多因素修正模型,综合考虑氯离子扩散系数的时随效应、混凝土的氯离子结合能力和混凝土自身缺陷的影响.根据对大量数据的分析试算,给出模型中参数的取值.利用该扩散模型,进一步推导海洋环境下基于概率性能的混凝土结构服役寿命计算方法,有效解决混凝土结构服役寿命预测中氯离子扩散系数及混凝土保护层厚度的随机特性.最后给出实际工程算例,说明该预测方法的有效性.