本文關鍵詞：基于微分幾何理論的水下航行器動力學研究

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【摘要】：水下航行器作為一種新型的水下勘測平臺，在軍事和民用領域有著巨大的發(fā)展前景。在水下航行器動力學分析中往往將航行器與其周圍的流體介質視做一個機械系統(tǒng)。航行器在運動過程中通過與流體介質相互作用，完成相應的動作。由于水下航行器周圍的流體介質存在阻尼，兩者相互作用機理比較復雜，航行器與周圍流體介質組成一個非線性、強耦合的機械系統(tǒng)。 本文在課題組以往研究的基礎上，從能量的觀點出發(fā)，通過引入微分幾何方法對水下航行器進行建模分析，得到水下航行器基于微分幾何理論的動力學模型。以課題組研發(fā)的混合驅動水下滑翔器和矢量推進式水下自主航行器為分析對象，通過對具體的航行器系統(tǒng)進行研究，代入到動力學模型中，進行水下航行器空間六自由度運動學、動力學數(shù)值仿真分析。通過將仿真分析結果和湖試、海試試驗對比，驗證動力學模型的正確性，為后續(xù)研究基于微分幾何理論的控制系統(tǒng)提供動力學模型。 本文的主要研究成果如下： 1.針對水下航行器在流體介質中運動的特點，從能量的角度出發(fā)，，推導出通用的水下航行器動力學方程。水下航行器作為一種特殊的機械系統(tǒng)，由其質量矩陣引入黎曼度量，對水下航行器的動力學模型進行幾何推導，得到水下航行器基于微分幾何理論的動力學模型。 2.通過對混合驅動水下滑翔機PETREL-II系統(tǒng)分析，得到其簡化系統(tǒng)模型，將簡化系統(tǒng)模型受力情況代入到動力學模型中，進行仿真分析。仿真結果與試驗數(shù)據對比，驗證了模型的正確性。 3.通過對矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)分析，得到該系統(tǒng)的簡化模型，將該系統(tǒng)受力情況帶入到動力學模型中，進行仿真分析。仿真結果與試驗數(shù)據對比，驗證了模型的正確性。
【關鍵詞】：水下航行器 動力學建模 微分幾何 數(shù)值仿真
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U661.3;U674.941
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-21
• 1.1 引言9-10
• 1.2 無人水下航行器的研究發(fā)展狀況10-19
• 1.2.1 水下自主式航行器發(fā)展狀況10-15
• 1.2.2 水下滑翔器發(fā)展狀況15-18
• 1.2.3 微分幾何理論在水下航行器的研究狀況18-19
• 1.3 研究目的與意義19
• 1.4 本文研究的主要內容19-21
• 第二章 水下航行器動力學建模21-35
• 2.1 引言21
• 2.2 水下航行器系統(tǒng)描述21-27
• 2.2.1 坐標系統(tǒng)描述21-23
• 2.2.2 坐標系統(tǒng)變量定義23-24
• 2.2.3 水下航行器坐標系統(tǒng)轉換關系24-27
• 2.3 水下航行器動力學模型建立27-34
• 2.3.1 空間自由剛體運動學和動力學表達28-29
• 2.3.2 水下航行器運動學和動力學表達29-31
• 2.3.3 水下航行器動力學表達31-34
• 2.4 本章小結34-35
• 第三章 混合驅動水下滑翔器動力學特性分析35-52
• 3.1 引言35
• 3.2 混合驅動水下滑翔器系統(tǒng)模型分析35-38
• 3.2.1 混合驅動水下滑翔器系統(tǒng)構成與布局35-37
• 3.2.2 混合驅動水下滑翔器系統(tǒng)抽象模型37-38
• 3.2.3 混合驅動水下滑翔器系統(tǒng)簡化38
• 3.3 混合驅動水下滑翔器動力學模型建立38-44
• 3.3.1 混合驅動水下滑翔器受力分析38-44
• 3.4 混合驅動水下滑翔器運動分析44-51
• 3.4.1 混合驅動水下滑翔器鉛垂面運動分析44-48
• 3.4.2 混合驅動水下滑翔器空間運動分析48-51
• 3.5 本章小結51-52
• 第四章 矢量推進水下自主航行器動力學特性分析52-63
• 4.1 引言52
• 4.2 矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)模型分析52-55
• 4.2.1 矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)構成與布局53-54
• 4.2.2 矢量推進式水下自主航行器系統(tǒng)模型簡化54-55
• 4.3 矢量推進式水下自主航行器動力學模型建立55-59
• 4.3.1 矢量推進式水下自主航行器受力分析55-59
• 4.4 矢量推進式水下自主航行器運動分析59-62
• 4.4.1 矢量推進式水下自主航行器鉛垂面運動分析59-61
• 4.4.2 矢量推進式水下自主航行器水平面運動分析61
• 4.4.3 矢量推進式水下自主航行器空間運動分析61-62
• 4.5 本章小結62-63
• 第五章 水下航行器湖試和海試研究63-71
• 5.1 引言63
• 5.2 混合驅動水下滑翔器湖試和海試研究63-67
• 5.2.1 混合驅動水下滑翔器剖面滑翔運動試驗研究64-66
• 5.2.2 混合驅動水下滑翔器定深航行運動試驗研究66-67
• 5.3 矢量推進式水下自主航行器海試研究67-70
• 5.3.1 矢量推進式水下自主航行器渤海海試研究68-70
• 5.4 本章小結70-71
• 第六章 結論與展望71-72
• 6.1 全文結論71
• 6.2 工作展望71-72
• 參考文獻72-76
• 發(fā)表論文和參加科研情況說明76-77
• 致謝77

【參考文獻】

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本文編號：546294