AUV接驳系统水下系泊悬浮运动建模与分析

水下对接是自主水下航行器(AUV)能量补充和数据交换的关键技术,为提升对接成功率,针对拖曳式导向罩对接方法进行改进,设计了一种新型开合式接驳装置。分析该装置是否满足对接要求,本文基于机构质心位移分析和Newton-Euler动力学理论建立具有变质心特性的接驳装置水下六自由度运动模型,系绳简化为一变刚度——阻尼轻质弹簧模型,结合系绳运动和受力边界条件建立系统缆-体耦合运动模型;并使用CFD软件STARCCM+对系泊悬浮接驳系统建立动态仿真模型。通过拖曳实验验证2种方法的有效性,其中仿真结果与实验数据的相关性更好,相关性系数最高时可达0.936 7。最后利用动态仿真模型详细分析外界水流和波浪干扰以及接驳装置拖点变化、导向罩开合对接驳装置运动状态的影响,波浪幅值不宜超过0.2 m,拖曳架固定时接驳装置更有利,导向罩开合时对接驳装置的姿态角影响较小,对其位置的变化影响较大。

AUV水下对接系统设计与接驳控制方案研究

为了实现自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)稳定、准确、高效地完成水下对接,提出一种导向罩开合式水下对接装置。针对该装置对接结构的特征所决定的AUV入坞运动的控制要求,考虑到在入坞阶段前向运动起主导作用,分别建立了在静对接、悬浮对接和拖曳动对接三种应用场景下AUV对接系统的动力学仿真模型,重点分析了AUV对接系统在对接时受到的水动力和碰撞力。基于ADAMS(automatic dynamic analysis of mechanical system,机械系统动力学自动分析)和控制仿真软件MATLAB/Simulink联合搭建的水下对接仿真系统,进行在不同接驳控制方案下静对接、悬浮对接和拖曳动对接效果的仿真分析与对比。分析结果表明:在位置-速度闭环控制下,对接能耗、碰撞次数和最大碰撞力均为最小,对接耗时比传统的位置闭环控制减少约50%;在拖曳动对接场景下,在位置-速度闭环控制下对接系统实现了良好的变速跟踪,有利于AUV快速对接。该AUV水下对接系统适用于不同的对接场景,方便无人艇搭载并对AUV进行布放与回收,有利于革新海洋无人系统跨域协同作业模式。

AUV接驳装置悬浮平衡分析与配重优化设计

为了保证用于对接回转型自主水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)的开合式接驳装置处于水下单点系泊悬浮状态时的平衡与稳定,须对其进行配重优化设计。通过对开合对接机构的位移分析,获得接驳装置体重心和浮心位置的变化范围;基于静力学理论,建立并分析重心、浮心和拖点的相对位置与接驳装置悬浮平衡纵倾角的关系。为了使接驳装置悬浮平衡纵倾角及其波动幅值小,及配重后接驳装置的质量最小,建立AUV接驳装置配重优化模型,并采用序列二次规划(sequential quadratic programming,SQP)方法对配重铅块、浮力材的特征尺寸和拖点位置等配重参数进行优化设计。通过接驳装置单点系泊悬浮实验,验证了优化配重后接驳装置满足设计要求。研究结果表明:相比自由拖架形式,采用固定拖架形式可以增大拖点与重心之间的垂向距离,非常有利于装置的水下悬浮平衡;相比经验配重设计,优化配置后装置总质量约减小了13.4 kg,悬浮平衡纵倾角波动幅值约减小90.68%,稳心高约增加7.63 mm,配重优化后AUV接驳装置系泊悬浮平衡状态良好。配重优化模型的建立及分析结果对水下接驳拖体的衡重设计及其拖架方案设计具有一定的指导意义。