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混合驱动水下滑翔机系统设计与运动行为研究
| 论文题名： | 混合驱动水下滑翔机系统设计与运动行为研究 |
| 关键词： | 混合驱动;水下滑翔机;系统设计;运动行为 |
| 摘要： | 混合驱动水下滑翔机是一类新型水下潜器，实现了传统水下滑翔机和无人水下航行器驱动方式的集成，满足了人类未来对海洋监测任务多样化的需求。混合驱动水下滑翔机具有滑翔工作模式和 AUV推进工作模式。在滑翔工作模式下，混合驱动水下滑翔机可依靠浮力调节单元和姿态调节单元实现“锯齿形”剖面运动，具有能耗低、工作时间长、航程远、噪音低等特点；而在AUV推进工作模式下，航行器可以通过螺旋桨单元和转向机构完成快速、精确的航迹跟踪运动。 本文依托国家科技项目，面向我国深远海域环境监测需求，设计和研制了混合驱动水下滑翔机工程样机，Petrel II。论文重点研究了样机总体设计方案和单元设计方案，建立了航行器动力学模型，并依据该模型进行了航行器在参数确定和不确定条件下的运动特性研究，得到了其运动性能参数的取值范围和变化特性。最后，水域性能试验结果表明样机实现了预期功能和设计指标，进而也验证了本文设计方法的正确性和理论模型的有效性。本文主要研究成果和创新点为： 本文提出了融合传统AUG和AUV驱动特点的混合驱动水下滑翔机设计方法，并应用于我国首台大深度混合驱动水下滑翔机工程样机的研制。此样机最大工作深度1500 m,最大水平滑翔速度0.5 m/s，最大推进航速1.5 m/s，具备全球定位及通讯功能。 运用动量和动量矩定理构建了混合驱动水下滑翔机空间六自由度运动数学模型。此模型同时考虑了浮力调节单元、螺旋桨推进单元、俯仰调节机构和横滚调节机构等运动部件的控制作用，并对航行器受到的流体动力做了合理简化，能够准确地描述混合驱动水下滑翔机运动行为。 基于运动数学模型，推导了航行器在铅垂平面和水平面内的运动方程及主要运动参数的表达式，量化分析了设计参数与运动性能参数间的关系，仿真得到了航行器稳态平面运动时主要运动参数的取值范围，并优化设计了关键运动参数。同时，根据混合驱动水下滑翔机研制流程及运动特点，提出了新的性能测试方案和规范，为系统的功能验证和指标考核提供了重要的指导，也为其它海洋监测设备的试验与测试提供了参考。 本文将工程实际中的不确定性问题引入到混合驱动水下滑翔机的动力学行为研究中，分析了航行器不确定参数的存在形式，以确定条件下的动力学模型为基础，结合概率统计方法建立了航行器参数不确定动力学模型，并使用蒙特卡洛方法量化了不确定参数与运动性能参数之间的关系。研究工作为混合驱动滑翔机系统设计完善提供了重要指导。 |
| 作者： | 刘方 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王树新 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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