1、海底机器人的三维设计和动态仿真目 录1 绪论11.1 研究意义11.2 AUV介绍21.3 国内外AUV研究动态21.4 动态仿真研究现状31.5 本文主要研究内容42 AUV总体设计和三维建模62.1 形体的选择62.2 设计内容62.3 三维建模73 AUV的动力学分析103.1 坐标系103.2 定义运动参数103.3 受力分析114 推进器动态仿真164.1 ADAMS仿真164.2 FLUENT仿真204.2.1 理论基础204.2.2 仿真前期准备214.2.3 FLUENT数值模拟计算235 总结29参考文献30致谢31附图321 绪论1.1 研究意义今天的人类正面临着人口、资源
2、和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正日益减少。为了生存和发展，人们必须寻找新的物质来源，海洋应当是首选。海洋是一个巨大的资源宝库，开发蓝色国土，拓展生存和发展空间，“人类重返海洋”将成为全球经济发展的大趋势。世界沿海国家和地区正在进入全面开发利用海洋的新时期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韩、印度以及东盟诸国等140多个国家相继制定海洋科技发展和海洋开发计划，采取具体措施加快抢占海洋科技的制高点，海洋开发已成为全球产业进步的重要标志，海洋经济已成为全球经济发展的重要增长点。海洋是强国之本。谁掌握了海洋，谁就掌握了经济发展的未来
3、。没有强大的海洋科技事业，没有强大的现代海洋经济，就不可能成为真正的经济强国。我国是海洋大国，但不是强国，人均占有陆地面积和资源量都远远低于世界平均水平，研究开发利用海洋是顺应世界海洋开发大潮。为了推动海洋经济持续快速的发展，科技部、国家计委、国家海洋局、农业部联合推出了“科技兴海”计划。中国海洋21世纪议程把“科教兴海”作为海洋经济可持续发展的重大意义的战略选择。海洋经济的开放性和带动性，强渗透力、宽辐射，可以拓展新的经济增长空间，优化经济结构，建立开放型特色经济，促进我国更快走向世界，对实现中华民族的伟大复兴具有重要政治经济意义。21世纪是人类向海洋进军的世纪。深海作为人类尚未开发的宝地和
4、高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上激烈竞争的焦点之一。水下机器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间中的作用。然而水下机器人如果直接进行海试或湖试，则需要承担极大地风险，由此计算机仿真应运而生。仿真系统提供一种有效的试验来检验系统和设计，这种试验可以为设计者、使用者和购买者揭示和预测一些有价值的信息。仿真系统有助于使各系统和子系统之间的协调。另外，仿真系统可以模拟各种场景，用于各种操作训练，节约实地训练的费用，最大限度地降低训练风险。通过ADAMS/MATLAB建立仿真模型，可以实现对其控制路径的模拟，降低试验风险。在海底工作的动
5、力来源就是推进器，所以通过对推进器的流体仿真，研究其所受的的阻力以及叶片周围流体所受的压力变化，对于AUV的运动控制的精确性具有极大的指导意义。1.2 AUV介绍当前水下机器人的种类很多，其中载人潜器、有缆潜器(ROVs)和自治水下机器人(AUVs)是三类最重要的潜器，自治水下机器人AUVs是英语“自治水下潜器”(Autonomous Underwater Vehicles)的缩写。AUVs不配备主缆和系缆，因此它又称为无人无缆水下机器人(Unmanned Untethered Vechiles缩写UUVs)。这类水下机器人携带能源，依靠自身的自治能力来管理自己、控制自己，以完成赋予它的使命，
6、自治水下机器人也就因此得名。由于微电子技术、计算机技术、人工智能技术、导航技术的飞速进展，再加上海洋工程和军事活动的需要，国外产业界和军方再次对无缆水下机器人发生了兴趣。许多研究表明，无缆水下机器人是一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。与载人潜水器相比较，它具有安全(无人)、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与ROVs相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。1.3 国内外AUV研究动态海洋机器人在过去几十年间为世界各国的海军、石油开发和救援打捞开辟了崭新的活动领域。用这种高度计算
7、机化、有的已开始了不需要人进行控制的机器人进行探索海底，可提供关于海底的大量数据。当今世界各国的一些主要的海洋研究中心倾注很大的精力正在研制或使用数十种可深潜的海底机器人。在技术方面，美国的水平领先于世界，欧洲各国其次，而日本要落后于美国和欧洲。这些机器人的造价与载人潜水器相比，造价低得多，但更加安全，而且可长时间在压力很大的海底工作。从上世纪90年代中期以来，自主式水下航行器(AUV)在海洋科学调查以及军事领域得到越来越广泛的应用。截止到2005年，世界上共研制了约70艘AUV，AUV已经多次成功地应用于海底石油与天然气、天然气水合物、大洋多金属结核和热液硫化物矿床等海洋矿产资源的探测。AU
8、V的最新应用主要体现在水雷搜索，冰下探测以及水下作业中。目前，美国在开发工作方面正朝着无缆预编程式(即自主式)海底机器人的方向发展。在过去的20年里，全球各主要国家所研制的AUV，其中美国占了一半。就其性能而言，应数美国海军的水下搜索系统(AUSS)和新罕布什尔州大学的小型AUV，即试验性的自主式EAVEEAST，主要用于水下管道和平台的检查。美国AUV的研究和开发经费90%来自国防部的财政支持，主要通过国防高技术研究项目局(DARPA)和海军有关部门给予拨款。早在1988年，国防高技术研究项目局提出了开发既像无人潜水器UUV那样自由浮游，又像登陆艇那样能离开水域进入内陆的两栖性自主式机器人。
9、美国海军控制和海洋监测中心于1983年推出了先进的自主式无人搜索系统(AUSS)，本系统的外形尺寸为510cm75cm，有效负荷不定。系统用银锌电池作为动力源，系统配置了侧扫声纳、前视声纳、35mm静物照相机、CCD水下摄像机。导航系统由多普勒声纳、先进的精密陀螺仪和周期性更新的水声通道组成；水面母船借助LBL发射应答网执行跟踪任务。现在AUSS为第二代先进的作业型自主式海底机器人，潜航深度6000m，用于评价深海海底搜索技术和执行深海海底搜索作业使命。近年来我国政府十分重视AUV的发展，投入了较大的人力和财力，在20世纪90年代我国AUV的研制取得了重大突破，典型代表有“探索者”号1000米
10、无人无缆遥控潜水器和“CR-01A”6000米无人无缆遥控潜水器。自主式无缆海底机器人是国家863高技术发展计划支持项目，由中国科学院沈阳自动化研究所、声学研究所、中国船舶工业总公司702所、哈尔滨工程大学、上海交通大学等单位联合设计研制的“探索者”号自主式无缆海底机器人，是以大范围搜索、观察水下1000m或6000m失事目标为主要使命特征的。我国在军用AUV的研究中也取得了很好的成绩，研制出三型军用智能水下航行器。其试验平台“智水II号”于1995年夏进行了湖试，在自主导航、自主避障和自主简单作业等方面取得了成功的试验验证和宝贵的试验数据。此外，北京航空航天大学目前正致力于仿生机器鱼的研究，
11、已研制出多种形式的仿生机器鱼，为水下航行器新型推进器技术和新型结构的研究，奠定了良好的基础。1.4 动态仿真研究现状机械系统动力学仿真分析技术首次出现于1980年前后，作为一门新兴技术，它最初被应用在汽车、铁路等领域中。Woongsang等以提高汽车的稳定性和控制能力为目标，进行汽车四轮定位系统研究。由于此前研究都是采用简化模型，使用二维结构或以自行车代替，测得的数据很不可靠。后来随着分析手段的提高，动力学仿真分析技术开始大量地应用于空间科学、石油、机器人等领域，NOEL通过在动力学分析软件中建立、分析和优化模型，得到了飞机起落架的动态性能。Arenz等针对goliath移动机器人模型，利用A
12、DAMS、ANSYS和MATLAB三者联合进行了动力学分析，并针对goliath移动机器人控制算法进行研究，然后在动力学仿真软件中加以检验。随着水下机器人应用领域的不断的扩展，水下机器人正朝着复杂化、多功能化方向发展。AUV正是一个由多个系统组成的复杂大系统，它包括载体系统、通讯系统、导航系统、传感器系统、声纳系统、能源系统、推进系统和智能控制系统。这不仅增加了AUV各系统之间集成的难度，也使得AUV整体性能验证和评价成为一件困难的事情。由于AUV的复杂性、智能控制的局限性和环境感知的低能，因此AUV可靠性、稳定性和自主能力在没有得到确切的验证之前，对AUV进行海上实验是有很大的危险性。另一方
13、面，由于海洋环境复杂、危险，在海上进行水下实验，除了没有安全性之外，还有实验成本高，周期长的缺点。因此，AUV整体性能验证和评价已经成为AUV发展的瓶颈，而建立AUV实时仿真系统是解决这个瓶颈问题的有效途径。控制系统仿真是控制技术人员在开发控制系统时所经常使用的。通常基于简化的被控系统模型，构建控制系统，设计控制算法，然后利用仿真分析被控系统的性能（如导弹的反应时间、跟踪精度等）。1.5 本文主要研究内容借鉴国内外较为先进的AUV，采用母型设计法，对其外形和部分机构进行改进，使其在达到总体性能要求的同时，尽量减小其体积和降低生产成本。在用SolidWorks完成三维造型设计之后，在ADAMS中
14、进行仿真分析，建立简单的控制系统，然后在利用流体仿真软件FLUENT对推进器进行流体分析，计算不同转速下推力情况，具体内容如下：第一章 绪论本章论述了研究、开发、利用和保护海洋的重要性和迫切性，概述了水下航行器的发展和应用状况，分析了国内外AUV的研究现状与趋势以及现阶段对动态仿真的研究，明确了本文研究的任务、意义和主要内容。第二章 AUV总体设计和三维建模本章主要是论述了AUV的总体设计及形体选择原则，根据二维图纸进行三维建模，对主要零件进行功能分析，并简要阐述了所研究对象的主要参数及工作环境。第三章 AUV的动力学分析本章为研究机器人总体的运动分别建立了地面坐标系和体坐标系，定义了各运动参
15、数。对海底机器人的运动过程，给出了其各方向的受到的合力及力矩方程，并给出了其轨迹方程，由于部分参数需经过海试得出，故此只给出计算公式。第四章 AUV动态仿真本章是本文的重点，主要是从两个方面对推进器进行动态仿真，一方面是基于ADAMS/MATLAB进行动态仿真，建立控制模型，另一方面则是利用FLUENT对推进器进行流体仿真，分析不同转速时叶片所受到的压力情况以及所产生的推力变化。第五章 总结2 AUV总体设计和三维建模水下机器人是一种具有人的一部分或大部分功能，能够在海洋环境下代替人进行某种作业的自动控制装置。通常是依靠电缆提供的动力(有缆水下机器人)或自身携带的能源(无缆水下机器人)驱动载体
16、上装有的推进器在水下作三维运动，并可装设照明、摄像、声纳等观测设备，多种传感器及用来完成某种作业的机械手和作业工具。由于海洋开发所需从事的项目内容非常多，实施的作业也极富多样性，因此，水下机器人的系统构成、形体、总体布置都不尽相同。虽然有许多国家都在研制和生产水下机器人，但每种水下机器人都没有进行批量生产，因此，目前还没有一个完善的设计准则。但在水下机器人结构方面己有一些成功的经验，可供设计水下机器人结构时作参考。水下机器人外形结构设计所涉及的因素很多，主要包括以下几个方面:水下机器人形体的选择、耐压壳体的设计、推进器的布置、水密接插件、重心和浮心的计算和整体平衡的考虑。2.1 形体的选择AU
17、V外形设计是AUV总体综合优化设计的重要组成部分，并直接关系到AUV的诸多战术技术性能。AUV外形设计技术是研究开发新型AUV的必不可少的一项基础技术。水下机器人根据使用目的和技术要求的不同，其外形尺寸、结构形式都有很大差异。一般情况下，形体的选择要考虑以下原则和要求：（1）阻力小、航行性能好；（2）足够的强度；（3）便于总体布置；（4）良好的工艺性。2.2 设计内容本文所研究的水下机器人驱动装置来源于5个推进器，推进器是由24V、400W的直流电机带动，由控制系统对五个推进器进行转速调整以控制机器人的上升、下潜、旋转等功能，实现机器人的姿态调整。高压舱内安装有探测及发射装置，控制系统等设备。
18、本课题所设计的对象包括两个高压舱、五个推进器、两个声纳（一个大声纳、一个小声纳）以及起支撑作用的框架。该AUV在海水中航行时为中性，即重力与浮力相等且主体的轴线呈水平，海底机器人航行到达预定水域后，推进器停止工作，在完成工作任务后，又通过推进器的作用完成返程。2.3 三维建模三维建模的基础就是二维图纸的设计，三维建模成功与否在很大程度上决定于零件和装配的设计精度，所以在完成设计工作时，应该在满足强度要求的前提下，根据装配关系进行零件设计。完成整体分析后，先由AutoCAD完成了设计的装配图、零件图，确定各部分尺寸，然后开始用SolidWorks建模。所设计的三维图主要包括：（1）高压舱(如图2
19、.1)主要由高压舱盖、舱体、高压球舱盖三部分组成，共有2个，每个高压舱由两个卡箍固定于框架之上。材料选用6063合金，该材料主要合金元素是镁和硅，具有极佳的加工性能，优良的可焊性、电镀性，良好的抗腐蚀性、韧性，阳极氧化效果优良。图2.1 高压舱（2）框架（如图2.2）支撑作用，上面固定有高压舱、推进器、声纳等，是由352的钢管焊接而成，上面有8处配焊，作用是固定卡箍。框架要先进行密封性试验，在海底工作时，钢管内部充满氮气，抵消部分海水压力，防止其在海底工作时发生变形。图2.2 AUV框架（3）推进器推进器作为整个AUV动力来源，共有两种，一种是水平推进器，共两个，另一种是竖直推进器，共三个，通
20、过推进器固定架将其固定于框架之上，各个推进器独立工作，相互协作实现对整个AUV姿态的控制。推进器上固定有导流罩，主要作用就是在运动中对迎面而来的海水阻力进行分割化解，从而达到降低阻力的效果。（4）声纳声纳主要是利用水中声波对水下目标进行探测、定位和通信的电子设备，是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。它是该海底机器人主要的探测装备，包括大小声纳各一个，分别安装在AUV前端的上下部位。所设计的三维模型如图2.3所示：图2.3 AUV 总装图大声纳；框架；竖直推进器；高压舱；小声纳；卡箍；水平推进器此AUV重208kg，总排水量206L，长1500mm，宽1240mm，高920mm，工作深度为8
21、00m，压强约为8MP，温度约为2，正常工作时的速度2m/s，主要用于深海探测。3 AUV的动力学分析对5自由度AUV的动力学与运动控制进行研究，应该考虑重力、浮力、推力以及水动力的影响，建立水下机器人的动力学模型，对机器人的复杂水下动力学行为进行描述。研究水动力的意义：一是从操纵性的角度研究水下机器人载体的稳定性和快速型，另一方面在设计控制系统时需要考虑水动力的影响，以便建立AUV的数学模型。3.1 坐标系为便于研究AUV的运动、数学建模与控制，需建立两个正交坐标系。先建立地面坐标系E-作为静坐标系，E为海平面一点，以海平面出发点为原点，E、E为水平面如图3.1所示：ExGzy 图3.1 静
22、坐标系、动坐标系另外为了便于分析AUV还要建立载体坐标系即动坐标系，它与海底机器人固定在一起，Gx与其轴向一致，Gy指向右舷方向，如图3.1所示。本课题所研究的对象在海底的运动是5自由度的空间运动，包括沿x、z轴的平动和绕x、y、z轴的转动，由5个推进器来实现。3.2 定义运动参数机器人重心G的空间速度矢量在水平面内的投影；机器人重心G的空间速度矢量在纵垂直面内的投影；u、v在水平面内沿Gx、Gy方向的分量；u、w在Gx、Gz方向的分量；p、q、r沿Gx、Gy、Gz轴的角速度；横倾角，Gy轴和E轴间的夹角；纵倾角，Gx轴和E轴在纵垂直面的夹角；艏向角，Gx轴和E轴在水平面的夹角。3.3 受力分
23、析为了设计AUV的控制系统，首先需要建立机器人的动力学模型。在水下运动的机器人系统是一个非线性的动力学系统，需要确定的参数较多。由于技术和测试条件的限制，有些参数无法准确测定或者无法测定。为了控制的需要，有必要对系统进行必要的简化，而只考虑对系统性能起主要作用的影响因素，这里主要考虑重力、浮力、推力和水动力对机器人的影响。1.AUV在水中所受的合外力可用下式表示：（注：该方程为矢量方程，为矢量和） （3-1）其中：作用在AUV上的水动力；AUV的浮力；AUV的重力；所有推进器推力之和；第i个推进器的推力；n推力器的总数，该处为n=5。AUV所受的合外力矩方程：（注：方程为矢量方程） （3-2）
24、、分别为水动力、浮力、重力以及推进器推力所产生的力矩。2. 力学分析（1）推力： （3-3）n转速D螺旋桨直径（113mm）推力系数（经验值）海水密度(1030)（2）轴向力方程： （3-4）等号左边描述了水下机器人合力作用下的运动规律，右边第一项和第三项分别是角速度和速度引起的非线性水动力，第二项是惯性水动力，第四项是推力，第五项是重力和浮力。（3）侧向力方程： （3-5）（4）垂向力方程：（3-6） （5）摇力矩方程、纵力矩方程、偏航力矩方程 （3-7） （3-8） （3-9）式中为推力在坐标轴x、y、z上的投影；为x、y、z轴的推力矩。（6）根据运动学知识可以将水下机器人姿态角与运动坐标
25、系中角速度的关系可以表示为： （3-10） （3-11） （3-12）（7）水下机器人重心与动坐标系原点重合，水下机器人的运动轨迹（3-13）（8）有海流（海流速度为U（）时则水下机器人相对于海流的速度为： （3-14） （3-15） （3-16）若考虑海流作用时，用相对海流的速度代替前面公式中的速度即可。本章为研究机器人总体的运动分别建立了地面坐标系和体坐标系，定义了各运动参数。对海底机器人的运动过程，给出了其各方向的受到的合力及力矩方程，并给出了其轨迹方程，由于部分水动力参数需经过海试或湖试才可以得出，故此只给出计算公式。4 推进器动态仿真AUV 按使命要求在水下平稳地航行是其完成各种任务
26、的基础，要想保证机器人平稳地航行，选择正确的控制方法是至关重要的。尽管现在有许多控制方法可以实现对潜器的航行控制，但对于实际应用来说,在满足项目要求的情况下，应选取既可行又实用的方法。本文在完成AUV的三维设计后，用动态仿真软件ADAMS对单个推进器进行动态仿真，建立正确的控制系统。然后再利用FLUENT对单个推进器进行仿真，实现对螺旋桨叶片转速与推力的分析。推进器模型如图4.1所示：图4.1推进器模型4.1 ADAMS仿真仿真的基本思路主要是针对单个推进器进行仿真，验证控制系统的准确性，在ADAMS中建立底层控制：AUV的底层控制AUV的控制系统包括底层控制和高层控制，高层控制是由计算机软件
27、来完成，底层控制主要由硬件组成，包括执行机构和传感器，这部分是其基础。水下机器人的底层控制主要包括：(1)水下机器人的航行控制；(2)作业工具控制；(3)传感器控制和信号控制。本文主要完成第一个问题即航行控制。其主要参数是深度、高度、航行速度、航向角和位置等，为了简化计算和便于仿真，本课题将采用典型的PID调节器作为闭环系统的控制器进行深度控制。该AUV采用推进器作为动力和控制部件。1.推进器布置如图4.1.1：xzGyT1T2T3T4T5图4.1.1推进器布置简图2.自动定深回路图4.1.2体现了定深回路的控制框图：PID载体推力分配 深度计 图4.1.2深度控制框图图中为深度输出，为深度输
28、入。典型的PID调节器闭环控制方程：（4-1） 为调节器系数。3.对单个推进器进行单自由度仿真（沿y向的平动）（1）施加约束：重力，螺旋桨产生的推力（根据推进器的运动由ADAMS自动调节），阻力（）；输入：推力（tl）；输出：位移（weiyi）、速度（sudu）；推进器的设定位置：距推进器位置3m处。（2）在MATLAB中建立PID控制图4.1.3所示为控制图：图4.1.3 MATLAB/Simulink控制图设定P gain=200，I gain=25，D gain=100。通过ADAMS/MATLAB联合仿真得到仿真曲线：（1）位移曲线（如图4.1.4）稳定振幅0.02m ：位移/m时间/s图4.1.4位移曲线（2）速度曲线（如图4.1.5）稳定振幅0.3m/s：速度m/s时间/s图4.1.5速度曲线图此控制系统能使推进器在允许误差范围内到达预定位置，所以该PID控制是正确的，控制方法是实用的和有效的。为了使控制效果更为理想，可以通过改变PID系数的值得到。采用单一变量法进行分析，如表4.1.1：表4.1.1 不同PID参数对比第一组PID位移振幅（m）速度振幅（m/s）200252000.020.35200254000.020.3第二组2002002000.0360.582001002000.0280.4第三组
