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基于球面并联机构的UUV矢量推进器结构设计及研究
| 论文题名： | 基于球面并联机构的UUV矢量推进器结构设计及研究 |
| 关键词： | 水下矢量推进器;球面并联机构;姿态控制;结构设计 |
| 摘要： | 十三五以来，国家开始大力发展海洋经济，增强海洋科技实力，对水下航行器的需求日益迫切。对于水下航行器来说，水下推进技术是其关键技术之一，目前水下航行器的推进方式多采用多推进器联合控制方式和单个推进器加方向舵面的控制方式，但多推进器联合控制方式影响水下航行器的外形使其水动力阻力增加，而单个推进器加方向舵面的控制方式在航行器低速航行状态下很难进行姿态航向控制。结合课题研究背景，为水下航行器设计一种新型矢量推进器是必要的，既可以保持水下航行器的流线外形，又可以使其在低速航行时便于姿态控制，同时满足水下航行器快速下潜的需要。 针对中小型水下航行器，设计了一种3RRR球面并联机构形式的矢量推进器，以实现航行器多自由度的运动。本文首先根据课题背景和功能需求，确定水下矢量推进器的设计参数，之后对推进器的总体结构方案和运动控制系统进行分析研究，对各部分的零件进行设计。结合航行器尾部受力分解以确定推进器并联机构的偏转角度定义，在此基础上，确定并联机构活动平台的转换矩阵，进而获得并联机构唯一位置逆解的求解算法，对于并联机构的位置正解则利用数值迭代算法进行求解，并确定并联机构的速度、加速度数学模型。利用ADAMS和MATLAB对上述算法和模型进行验证，确定算法和数学模型的正确性。对并联机构的条件数和最大工作空间进行分析，验证角度参数α1和α2对机构的影响。 对航行器进行阻力分析，在满足航行器的航行速度要求时，确定水下矢量推进器所需提供的推力大小，依此为基础利用图谱法对推进器螺旋桨进行设计，利用PropCAD对螺旋桨进行三维建模，然后使用Fluent对其提供的推力大小进行验证。利用ADAMS对并联机构进行动力学仿真，确定并联机构近端连杆所需提供的力矩大小。利用Workbench对并联机构进行模态分析，以验证螺旋桨转速不会引起并联机构自振而导致变形过大。 对水下矢量推进器的运动控制系统进行分析研究，并结合负载情况和控制要求，对控制硬件进行选型校核，搭建控制系统硬件，编写运动控制程序。最后搭建实验平台，验证控制程序的正确性，测量推进器活动平台的偏转角度误差，确定水下矢量推进器设计方案的可行性。 |
| 作者： | 李玉壮 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 侯恕萍 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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