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小型浅水域水下自航行器系统设计与试验研究

温秉权  
【摘要】: 本文主要开发和研制了一种针对特定水域的小型、浅水域、预编程、测量型水下自航行器,并对该系统从理论分析、详细设计、样机制作、试验研究、系统改进几个方面进行了研究和探讨。该系统具有自主知识产权、面向特殊海域,可分离模块式构型具有一定原创性。不仅为海洋勘察与测量提供了测量航行器,也为多功能新型水下自航行器的进一步研究和开发奠定坚实的技术基础。本研究根据航行器的主要性能要求,提出了可实现座底观测与释放分离的水下自航行器新构型,经过系统详细设计,完成了总体设计方案和试验样机研制与改进,并提出了重心与浮心改变的水下自航行器的重心与浮心计算方法与设计准则。 对铝板卷焊环肋加强圆柱耐压壳体结构参数、释放分离机构工作的安全可靠性以及航行器下沉方式进行了分析和研究。首先,以质量最小为优化目标对耐压壳体结构参数进行了优化设计;然后,针对壳体制造过程中的两种主要制造误差圆柱度误差和焊缝质量缺陷对壳体承载能力的影响进行了有限元分析,为合理考虑制造误差对壳体承载能力的影响和合理制定加工制造精度要求等提供了指导;最后,有限元模型的正确性通过实验进行了验证。另外,基于理论分析与试验测试相结合的方法,确定了释放分离机构的主要结构参数,试验验证了释放分离机构设计的合理性和可靠性。为保证水下自航行器总体平稳准确坐落在指定海域的水底,提出了三种注水下沉方式并进行了运动分析和实现难易程度的对比,并确定采用航行器总体先下潜后自由下沉的方式,试验结果表明了该方法的有效性和合理性。 基于Newton-Euler方程,建立了航行器总体的一般动力学模型,并对航行器航行过程中所受的外力作了进一步分析,以矩阵的形式给出了更为具体的动力学方程表达式。基于解耦原理和小扰动理论,对运动方程进行了解耦和线性化,获得了工程实际中简便、实用的动力学模型。对航行器主体浮出水面在波浪中的动态响应进行了分析和研究,基于牛顿第二定律分别建立和推导了主体在水面的自由升沉运动和横摇运动的运动方程,进而推导了主体在波浪激励下的升沉和横摇运动方程,并得出了稳定振荡后升沉运动振幅与波振幅之比及最大横摇角的计算式。基于简化的动力学模型,分别设计了航速、航向、纵倾和深度控制器,并进行了计算机仿真研究。论述了航行器总体的完整工作过程、组成模块和各模块应具有的功能与承担的任务。首次将CAN总线应用于航行器控制系统中,并建立和完成了基于CAN总线的混合-分布式控制系统的分层和总体结构设计,解决了以前AUV控制系统的不足。 以自行研制的水下自航行器模型样机为试验对象,对其密封与耐压性能、直航与特定性能和完整工作过程等分阶段进行了试验研究,对试验中出现的问题,在深入理论分析与CFD计算的基础上提出了相应的解决措施,使模型样机得到不断改进和完善。最终,在湖试中航行器成功地完成了直航、偏航、下潜、注水、下沉落底、释放、上浮等一系列动作,验证了航行器能够完成预期的各项功能,表明水下自航行器总体及控制系统设计的正确性、有效性和实际可行性。


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