水下機器人現代設計技術

目錄
序
前言
第1章 緒論 1
1.1 水下機器人的應用 1
1.1.1 海洋資源概述 1
1.1.2 海洋開發(fā)的重要意義 4
1.1.3 水下機器人應用領域 5
1.2 水下機器人的概念及分類 7
1.3 水下機器人發(fā)展現狀 8
1.4 水下機器人關鍵技術 14
1.5 水下機器人未來發(fā)展展望 17
1.6 本書內容 18
參考文獻 18
第2章 水下機器人結構設計 20
2.1 水下機器人常用設計方法 20
2.2 水下機器人的系統(tǒng)結構 22
2.3 水下機器人的總體布局 31
2.3.1 水下機器人形體的選擇 32
2.3.2 推進器的數量和布置 32
2.3.3 機械手、電視和照明裝置的布置 35
2.4 水下機器人的穩(wěn)定性設計 36
2.4.1 浮體材料選擇 36
2.4.2 浮力調節(jié)系統(tǒng) 39
2.4.3 水下機器人各部分相對比重量的分析與確定 39
2.4.4 水下機器人重心與浮心計算 41
2.5 水下機器人結構現代設計方法 44
2.5.1 ANSYS有限元分析技術 44
2.5.2 CFD軟件分析技術 44
2.5.3 MATLAB/Simulink仿真技術 45
2.5.4 虛擬樣機聯合仿真技術 45
2.6 水下機器人結構設計案例 46
2.6.1 AUV整體結構方案設計 46
2.6.2 基于有限元軟件的耐壓艙壁厚設計 53
2.6.3 AUV水動力性能分析 59
參考文獻 73
第3章 水下機器人流線型設計 75
3.1 水下機器人殼體建模及其設計 75
3.1.1 水下航行器殼體線型設計理論 75
3.1.2 小型 AUV殼體線型設計原理 77
3.1.3 水下機器人力學特征及殼體主要設計原則 83
3.1.4 殼體外形建模方案 84
3.2 基于CFD的導流罩流線型設計 89
3.2.1 導流罩優(yōu)化設計 90
3.2.2 AUV流動情況分析 103
3.3 基于功率流的流線型殼體優(yōu)化設計技術 105
3.3.1 結構優(yōu)化分析概述 105
3.3.2 基于結構聲強中單元薄膜力輸出參數的殼體優(yōu)化分析 106
3.3.3 AUV流線型殼體優(yōu)化分析 111
參考文獻 115
第4章 水下機器人能源與動力 116
4.1 能源選擇及計算 116
4.1.1 能源選擇 116
4.1.2 蓄電池容量的計算 121
4.2 常用驅動方式 122
4.3 推進器動力分析與計算 126
4.3.1 推進器推力分析 126
4.3.2 推進器推力計算 127
4.3.3 推進功率計算 128
4.3.4 實現六自由度控制的多推進器布置角度分析 129
4.4 水下機器人推力性能測試實例 132
參考文獻 134
第5章 水下機器人系統(tǒng)辨識方法研究 135
5.1 推進器參數辨識 135
5.2 AUV水動力參數辨識 138
5.2.1 AUV水平面水動力參數辨識 138
5.2.2 AUV垂直面水動力參數辨識 144
5.3 基于遺傳算法的AUV水動力參數辨識 150
5.3.1 遺傳算法基本原理 150
5.3.2 Rastrigin函數GA優(yōu)化實例 155
5.3.3 遺傳算法辨識AUV水動力參數 157
參考文獻 167
第6章 水下機器人運動分析 169
6.1 坐標系和參數定義 169
6.2 不同坐標系之間參數的轉換 170
6.2.1 位移矢量在不同坐標系之間的轉換 170
6.2.2 速度、加速度在不同坐標系之間的轉換 171
6.3 水下機器人水平面和垂直面運動 172
6.3.1 水平面運動 172
6.3.2 垂直面運動 173
6.4 水下機器人在合力作用下的空間運動表達式 174
6.5 水下機器人動力學分析 176
6.5.1 與速度相關的水動力導數 177
6.5.2 與加速度相關的水動力導數 177
6.5.3 AUV 的黏性類水動力系數 178
6.6 水下機器人的空間運動方程 181
6.6.1 水下機器人在水中受到的合外力 181
6.6.2 水下機器人空間運動方程建立 181
6.6.3 考慮海流作用時的水下機器人空間運動方程 184
參考文獻 184
第7章 底層控制系統(tǒng)設計 185
7.1 小型AUV及推進器模型仿真與分析 185
7.1.1 AUV仿真模型建立 185
7.1.2 推進器的電機控制策略 191
7.1.3 推進器仿真模型 192
7.2 推進器的人工免疫控制 196
7.2.1 人工免疫控制 196
7.2.2 推進器免疫模型構建與仿真分析 199
7.3 水下機器人空間姿態(tài)控制系統(tǒng)設計 205
7.3.1 滑模變結構控制的基本概念 205
7.3.2 水下機器人空間姿態(tài)控制模型 206
7.3.3 姿態(tài)控制系統(tǒng)雙環(huán)滑?？刂坡傻脑O計 208
7.3.4 姿態(tài)控制系統(tǒng)建立與仿真 210
參考文獻 214
第8章 水下機器人虛擬樣機控制系統(tǒng)仿真設計 215
8.1 虛擬樣機幾何物理模型的建立 216
8.1.1 幾何模型的建立與ADAMS的導入 216
8.1.2 輸入輸出變量的定義 217
8.1.3 虛擬樣機水動力設置 218
8.2 虛擬樣機控制模型 219
8.2.1 控制系統(tǒng)總述 219
8.2.2 虛擬樣機控制模型建立 221
8.3 虛擬樣機系統(tǒng)聯合仿真及結果分析 223
8.3.1 AUV的控制系統(tǒng)模型 224
8.3.2 虛擬樣機系統(tǒng)聯合仿真 226
參考文獻 228
第9章 水下機器人軌跡跟蹤控制器與路徑規(guī)劃 230
9.1 水下機器人空間運動方程的簡化與分解 230
9.1.1 非奇異終端滑?？刂?231
9.1.2 PF問題描述 233
9.2 控制器設計 234
9.2.1 巡航速度控制器的設計 235
9.2.2 位置控制器的設計 235
9.2.3 艏向角控制器的設計 236
9.3 軌跡跟蹤仿真分析 237
9.4 虛擬樣機系統(tǒng)全景綜合仿真 240
9.5 水下機器人路徑規(guī)劃 243
9.5.1 拐點速度和總能耗的計算方法 243
9.5.2 基于耗能優(yōu)的改進蟻群算法 247
9.5.3 仿真實驗及分析 249
參考文獻 252
第10章 基于人工側線系統(tǒng)的水下機器人感知研究 254
10.1 人工側線系統(tǒng)基本理論及現狀分析 254
10.2 基于人工側線系統(tǒng)的水下航行器流場感知研究 256
10.2.1 靜載體對流場參數的感知 256
10.2.2 動載體對流場參數的感知 259
10.2.3 靜載體對障礙物參數的識別 261
10.2.4 基于機器學習算法的流場參數感知 264
10.3 基于人工側線系統(tǒng)的水下航行器姿態(tài)感知研究 266
10.3.1 人工側線系統(tǒng)載體的仿真建模 266
10.3.2 仿生盒子魚載體的設計制作及水槽實驗 273
10.3.3 基于神經網絡算法的數據處理 278
10.4 基于人工側線系統(tǒng)的水下航行器水下振源感知研究 281
10.4.1 偶極子振動源定位的數學模型 281
10.4.2 偶極子振動源運動參數的感知 283
10.4.3 移動振動源形態(tài)參數的感知 293
10.5 本章小結 295
參考文獻 296
附錄A 貝塞爾曲線算法 298
附錄B B樣條曲線生成算法 299
附錄C 求解X方向運動時所用的MATLAB函數程序 301
附錄D 外環(huán)滑模控制器MATLAB函數程序 302
附錄E 內環(huán)滑?？刂破鱉ATLAB函數程序 304
附錄F 非奇異終端滑模控制算法 305
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