作业型ROV推进器动力学建模与响应分析

为研究深海作业型遥控水下机器人（remotely operated vehicle,ROV）液压推进器控制系统的动力学响应特性,建立了一种考虑螺旋桨动态负载影响的伺服阀控制液压推进器动力学系统的数学模型,提出一种伺服阀控制液压推进器的马达流量、压力、扭矩、转速、螺旋桨转矩和推力的求解方法.通过数值仿真,分析了不同控制电压下伺服阀、液压马达和螺旋桨的动态响应过程及特点,建立了推力分配方法中推力简化约束模型,并得到了期望推力和推进器控制电压之间函数关系的数学模型.与推进器水池试验结果相比,本文仿真结果准确可信.这种完整和准确的液压推进器动力学系统的数学模型,对实际水下机器人和动力定位船舶的运动控制方法、推力分配策略及推进器控制的研究,具有一定的指导意义和工程价值.      

动力定位船矢量推进器回转动力学响应分析

为研究全回转矢量推进器回转动力学系统的响应特性,对瓦锡兰某型矢量推进器的液压回转系统的组成进行深入分析,研究了泵控液压马达驱动齿轮减速机构带动推进器进行回转的工作原理,建立了矢量推进器回转动力学系统的数学模型,提出了一种全回转矢量推进器实现目标方位角快速跟踪的改进控制方法,构建了一种矢量推进器回转动力学异步控制频率仿真系统,分析了不同目标方位角时推进器的方位角、角速度、液压系统的动态响应特性,建立了矢量推进器回转响应的物理约束条件.仿真结果表明,建立的动力学模型可模拟真实矢量推进器的回转运动响应过程,同时可实现矢量推进器回转方位角的快速、准确控制,对全回转矢量推进器和动力定位船舶推力分配方法的研究具有较重要的指导意义和工程价值.     

基于生物启发的水下机器人路径跟踪控制

针对常规反步控制方法在路径跟踪中出现的速度跳变与推进器驱动饱和等问题,将生物启发神经动力学模型应用到水下机器人路径跟踪控制中。利用生物启发神经动力学模型的渐变和有界输出等特性,设计基于生物启发的反步路径跟踪控制器,并同传统反步跟踪控制器进行对比分析。仿真结果表明:在较大的初始跟踪误差下,所设计的跟踪控制器可以有效克服水下机器人跟踪控制中的速度跳变,避免推进器的驱动饱和,满足水下机器人推进器的推力约束。     

变频液压调速系统的一种磁场定向解耦控制方法

通过改变液压泵的驱动器以调节液压马达转速, 并建立了变频液压调速系统的数学模型和仿真模型, 设计了3个PI调节器, 在此基础上研究液压系统的主要参数对变频液压调速系统动态特性的影响. 仿真结果表明: 该解耦方法可以改善变频液压调速系统的动态响应;液压马达速度响应的稳态时间为0.5 s, 超调量小于10%;控制腔容积的变化对系统动态特性影响最大, 控制腔容积增加, 系统的调整时间延长, 超调量和振荡次数增加;液压元件的泄漏系数增加将使系统的调整时间延长;负载取值的变化对系统没有明显影响.     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性实用数值模拟方法

以数值模拟手段研究作为水下机器人主要姿态与轨迹控制机构的导管螺旋桨在回转状态下的水动力特性。首先根据所要计算的导管螺旋桨的几何要素构造导管和螺旋桨的三维几何模型,在此基础上采用动网格技术以计算流体力学方法借助计算流体力学软件Fluent,采用有限体积法在导管和螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程以此对在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨以一定转速和一定来流方向下所产生的推力特性进行数值模拟分析,观察在水下机器人主体流场干扰下螺旋桨推进器的水动力现象。为验证所采用的预测导管螺旋桨水动力特性数值方法的有效性,在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上,将数值模拟结果与试验结果进行比较,对比结果表明本文所采用的数值方法是可靠的。     

基于S模型的水下机器人改进人工免疫控制器

为分析水下机器人非线性运动控制系统的特点,采用基于生物免疫生理特性与免疫应答的免疫控制方法,结合Sigmoid非线性模型和函数简化策略,得到改进型免疫控制器.水下机器人仿真试验表明,该控制器具有设计简单、响应速度快、超调小、鲁棒性好等优点.     

SY-Ⅱ遥控式水下机器人推力器容错控制的研究

为提高遥控水下机器人的可靠性,研究了推力分配建模和基于递归神经网络的容错控制技术.以SY-Ⅱ遥控水下机器人为研究对象,针对其推力器布置情况进行推力分配建模,并以该模型为基础通过对偶原理建立机器人控制的能量函数,实现了递归神经网络形式的推力器容错控制算法.通过容错控制的仿真和实验表明,该算法具有较强的鲁棒性,能够根据推力器的不同故障状况,重新进行推力分配.使得要遥控水下机器人当一个主推和其它任意一个平面推力器正常工作,而其它平面推力器发生故障时,仍能准确地实现机器人的水平面两自由度容错运动控制.从而说明该算法在容错控制方面的优越性,提高遥控水下机器人的安全性和可靠性.     

矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真

采用单矢量推进器进行航向控制的自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV),与采用传统的鳍舵进行航向控制的AUV相比,具有更好的低速操控性及定位精度.根据单矢量推进式AUV的特点,将AUV的推力视为螺旋桨转速及矢量推进器摆角的函数,运用Newton-Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型和动力学模型,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预测,并通过水域试验验证了所建模型的正确性,为控制系统的设计奠定了基础.     

有限水域水下载器推力模型实验壁面效应研究

推力模型实验是水下机器人推进系统设计的重要基础，但是推进系统实验通常伴随壁面效应产生回流，影响推力模型测试结果。为解决静水水池壁面对推进器推力模型测试的影响，通过理论分析建立水下机器人推进器的静水推力模型，通过实验方法，探究水池后壁面距离对推进器推力模型的影响，使用MATLAB对提取的实验结果进行非线性数据拟合，并给出了考虑壁面效应的推进器推力模型修正方法及水池设计的尺寸估计方法。研究发现，由于后壁面的存在，推进器的推力模型被严重低估。本文研究成果对静水实验水池设计及壁面效应下的水下推进器推力模型测试具有重要意义。     

变螺距推进器设计与研究

本文提出了一种采用螺距变化方式实现侧向力输出的水下航行器推进器方案．该推进器内部有主推电机、螺距控制电机及齿轮组，螺距控制轴与推进主轴同轴安装，通过对电机转速进行控制可以周期性地改变桨叶的螺距角，从而实现侧向力输出．采用计算流体动力学(CFD)方法对该推进器的水动力特性进行了研究，结果表明：采用正弦曲线的规律控制螺距角变化可以产生稳定的侧向力，侧向力曲线在桨盘极坐标下为圆形；平均侧向力方向与螺距控制初始相位方向一致；在螺距角变化幅值为9°的情况下，产生的平均侧向力大小约为40 N．此外还仿真研究了侧向力、推力与螺距角变化幅值、转速的关系，结果表明：当螺距角变化采用正弦曲线时，推进器产生的平均侧向力与螺距角变化幅值及转速的平方成正比；而平均推力受螺距角变化幅值影响不大，与转速的平方成正比．将仿真结果应用于自主水下航行器(AUV)的动力学模型，验证装有此推进器的AUV的操纵情况．计算结果表明，当水下升潜和水平回转运动时，采用基于螺距控制的推进器可以实现良好的操纵效果．相较于传统的螺旋桨+舵的操纵方式，该方案结构简单、减少了电机数量、提升了AUV艉部空间利用率．与已有矢量推进方案相比，变螺距...