水下机器人建模与定深控制研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.研究目的

水下机器人是在水下环境进行极限作业的机器人,又称潜水器。面对当今社会资源短缺,人口膨胀等严重问题,海洋资源开发利用得到广泛关注。作为可以将人类从复杂危险的海洋环境下解放的工作载体,水下机器人日益成为海洋开发的重要工具。例如,我国自主研制的“潜龙二号”在2018年2月9日,在近海底工作30小时,最大潜深2920米,在地形起伏1800多米的区域内,获得了大量的精细地形地貌数据和多种传感器探测数据。同时,水下机器人的应用领域也在不断扩大:水下机器人可以利用于水利工程、危险环境水下搜救等工作。例如,Teledyne SeaBotix水下爬行机器公司生产的Seabotix LBV系列产品被San Diego公司用于Pro-ROV服务中,在3周多时间对怀俄明州3座大坝的安全检查。又如,在对马航MH370搜救工作,美军采用的自主水下机器人蓝鳍-21进行搜寻黑匣子工作。

随着水下机器人的发展,无论在军用还是民用,对其的性能要求也变得越来越高。水下机器人在实际航行中,最重要的两个性能为定深性能和定向性能。在水下机器人执行既定的岸上监测任务等时,不可避免地要在近水面定深航行,此时由于受到海浪及海流的影响,水下机器人的运动状态将发生变化。在海浪一阶波浪力这种高频周期力的作用下,水下机器人将产生横摇、纵摇、垂荡等摇荡运动,这会严重影响水下机器人的正常工作及安全性能。在二阶波浪力又称波吸力作用下,会使水下机器人向水面抛甩,潜深减小,由于二阶波浪力随潜深减小而急剧增大,会加快水下机器人浮出水面的趋势,这会极大影响水下机器人在近水面的定深性能。因此迫切需要一种控制系统来解决水下机器人在近水面工作时不稳定状态,以抑制在波浪力干扰下水下机器人不断上浮现象。

2.研究意义

现今水下机器人为了降低成本和质量,多采用主推加艉十字舵的驱动配置模式,但其无法独立产生侧向和垂向推力,属于欠驱动系统。水下机器人在执行任务中,要求其具有在环境扰动作用下依旧按照预期轨迹运动的能力。欠驱动水下航行器近水面航行时一种非线性、多变量、强耦合、强干扰的联合控制。水下机器人近水面定深航行控制方法的研究对提高水下机器人的自动化水平具有重要的意义。

3.国内外研究现状

1)近水面航行水动力性能研究国内外现状

中国船舶科学研究所的张楠等人对处于深水和近水面的潜艇模型的绕流进行数值模拟,得出了不同潜深下潜艇模型的阻力、垂向力及俯仰力矩,以及同一潜深下潜艇所受阻力随航速的变化规律,并得出在潜深大于三分之一艇长时,自由液面的波高急剧减至很小,自由液面对阻力几乎无影响的结论。

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