基于并联机构的AUV矢量推进器研究

本文提出一种PUS-PRS-S并联机构形式的螺旋桨矢量推进器。对矢量推进器进行具体的结构设计,使其能够很容易地作为一个整体安装在AUV尾部。建立矢量推进器的的运动学和动力学模型,通过数值计算与仿真,结果表明,设计的矢量推进器具有良好的运动性能,能够流畅地完成俯仰、偏摆运动。通过对推力矢量的分析,可知矢量推进器在AUV前进方向上始终能提供不低于75%的推力,在偏转方向上最大能提供50%的推力,且推力大小与AUV姿态和航速均无关。对比与传统的以鳍舵作为控制面的AUV,矢量推进AUV在慢速航行状态下具有更好的操纵性。

2种矢量推进器的水动力学性能对比研究

传统的水下自主潜航器(AUV)一般采用舵装置控制航向,舵的存在会造成一定的尾流干扰,影响推进器的效能,增大推进器的振动与噪声。为解决该问题,提出2种全新的矢量推进器方案,并采用计算流体力学方法(CFD)对2种矢量推进器在不同偏转角下的水动力学性能进行了对比研究。研究结果表明:随着偏转角的增大,2种推进器的正向推力系数逐渐降低,而侧向推力系数逐渐增大。方案2的扭矩系数与推力系数的变化趋势相同,但方案1的扭矩系数的变化趋势正好相反。方案1的尾流场扰动相比方案2更为剧烈,其桨叶也将承受更高的压力梯度和水动力不平衡载荷的影响。在直航模式和低偏转模式下,方案1比方案2具有更高的侧向推力和更低的扭矩,在高偏转模式下,方案2比方案1具有更高的侧向推力及更低的扭矩。研究成果为矢量推进器的优化设计及工程应用提供了一定的参考依据。

基于康达效应的水下机器人矢量推进器设计与性能评价

因水下环境复杂,搭载于机器人外部的螺旋桨式或喷水电机式矢量推进器常会面临被水下杂物缠绕失去动力的潜在风险。本文提出一款基于康达效应的矢量推进器,其利用最少驱动单元即可实现动力在四个方向上的矢量输出,从而保障搭载该推进器的机器人在水下可实现包括直行、转弯、上升、下潜在内的多自由度运动;通过ANSYS流体仿真,验证利用康达效应设计矢量推进器的有效性;同时结合水下运动机动性需求,搭建一款基于该推进器的水下机器人样机,并展示样机运动姿态与推进器工作方式的关系;最终通过设计测力/转矩实验装置,评估矢量推进器在各方向的动力输出特性。实验结果可用于辅助机器人后续实现精准而高效的水下运动控制任务。

基于双闭环的矢量推进器的AUV转向控制方法

水下无人自航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)在对海洋环境进行勘查与测量时,实际航迹与目标航迹的偏差要求控制在一定精度范围内.在传统常采用的航向单闭环方法控制下,基于矢量推进器的AUV在高速转向时存在航迹跟踪效果差的缺点.针对这一问题,设计了一种双闭环自适应转向运动控制方法.该方法基于矢量推进器机动性强的特性,在AUV转向时将航向控制闭环和航速控制闭环设计成双闭环,调整航向的同时依据航向环偏航角差实时控制航速环AUV转向目标速度.理论分析和实验证明:在AUV转向时,该控制算法可以更好地实现航迹跟踪,实际航行轨迹与目标航迹的最大偏差可以控制在10,m以内.

矢量推进器传动链的动力学仿真

基于一种新型的螺旋桨矢量推进器,分析其运动规律,对运动参数进行理论推导,并应用ADAMS软件对推进器传动链进行动力学仿真分析,得到了运动链约束参数和推进器的运动参数。仿真结果验证了建立的动力学传动链模型符合传动规律,参数设置合理,并为进一步研究提供了基础。

水面矢量推进器仿生设计与试验

以蛇怪蜥蜴为仿生对象,基于蛇怪蜥蜴股骨旋转带动两脚踏水的高速运动行为,设计了水面仿生矢量推进器,增加了驱动力输出维数,实现了可控的托举力、推进力和转矩输出。结合RNG k-ε湍流方程和PISO算法,构建推进器的流体动力学模型,获得了叶片径向和轴向的最优设计形状,推导了驱动力与叶片长度和宽度的数学函数。最后,搭建矢量推进器试验系统,验证了数值计算模型的正确性;进行两栖车辆样机试验,矢量推进器驱动车体实现了10.6°仰角状态的滑水航行,为水面装置减阻提速提供了一种新思路。

AUV矢量推进器的设计

AUV在水下航行时需控制航速和方向。为了对AUV提供不同方向的推力,提出一种基于3-RPS并联机构的矢量推进器,可通过改变连杆杆长使搭载着主推进器的动平台摆动到指定姿态,从而输出可控的、各种方向的推动力。利用Z-X-Z欧拉角变换建立3-RPS并联机构的数学模型;对模型进行分析验证,并以此确立模型所需要的机械结构;利用Matlab验证了机械结构运动轨迹。在验证数据和实际需求的基础上,设计了矢量推进器的机械实体。

大通径多关节矢量推进器喷口摆动特性研究

针对大型水下航行器的大通径矢量推进器喷管全方位操纵需求,提出喷口具备全向偏转功能的一个四关节串联机构的实现方案。结合该机构所具有的冗余自由度的特点,以关节旋转角度范围为约束条件,关节角度单位增量最小为目标,提出一种求解关节角的“拟合-寻解”局部最优算法。以一组关节间端面夹角依次为15°,-30°,30°,-15°的四关节串联式喷管配置参数为例,基于本求解算法得到了实现喷口全方位摆动控制的各关节角的控制面。分析表明,这种四关节型式可以满足水下矢量推进的全方位摆动要求,同时具备避免关节运动范围超限的能力。该研究结果可为此类机构在大型矢量推进器上的应用提供理论依据和分析方法。

变角度水面矢量推进器性能分析

现行大方形系数两栖平台在水中排水航行,受到"兴波阻力墙"的影响,速度难以提高。为了减阻提速,以蛇怪蜥蜴为仿生对象,提出了一种变角度的水面矢量推进器,通过角度和转速控制,实现了驱动力矢量输出的新模式;增加了托举力和转矩驱动,为平台水上低阻高速航行提供了新思路。进一步结合PISO算法和两相流瞬态分析,建立了推进器的流体动力学模型,分析了运动参数和结构参数对三维驱动输出的影响,并进行了试验验证。结果表明:叶片角度从0°到90°增大,实现了驱动力输出角从-6.85°到51.95°的矢量连续变化,且存在驱动均衡输出区间[40°,60°];托举力与轮辐长度呈线性关系,且推进力、转矩与轮辐长度呈二次函数关系;随转速增加,驱动输出增加,转速为5 r/s时因流场恢复能力不足导致频率为转速的2倍;托举力随轮毂宽度、直径的增加而减小。研究结果为深入开展推进器驱动调节和平台航行控制打下基础。

水面仿生矢量推进器倒车性能分析

针对两栖平台倒车机构复杂、性能研究难以开展的问题,基于水面仿生矢量推进器,提出了一种倒车方式。设计了新型两栖平台,通过推进器反向转动输出倒车拉力,实现了平台0.7 m/s速度的直线倒行和0.75 m小半径的转弯倒行,提供了更为快速灵活的倒车方式;建立了推进器流体动力学模型,结合下压力、倒车拉力和转矩三维驱动的周期性输出规律,分析轮轴高度、轮辐长度、转速和叶片夹角对推进器倒车性能的影响,扩展了平板旋转绕流的研究;建立敞水试验系统,验证了数值计算模型的正确性。结果表明:随着推进器轮轴高度增加,转矩单调递减;下压力和倒车拉力随着轮辐长度线性变化,转矩与轮辐长度呈二次函数关系;随着转速提高,三维输出单调递增。研究结果为两栖平台倒车控制提供了理论参考依据。

可控参量对水面仿生矢量推进器性能影响

针对两栖平台水陆差异式推进机构复杂、水上航速低的问题,首先,基于蛇怪蜥蜴脚掌运动学规律,研究矢量推进器的仿生机理,设计新型水面平台和两栖平台,样机试验达到了推进器气穴式推进以及平台10.6°攻角滑水航行的仿生效果.然后,结合ЦАГИ方法,开展了水面平台滑水航行动力学分析,进一步建立了平板旋转绕流模型,在单叶片力学特性和推进器合成分析的基础上,得到了驱动输出对应的最优轮轴高度以及航速与转速协同变化对驱动性能的影响,并进行了试验验证.结果表明:由单叶片三维驱动可推导推进器的周期性输出;轮轴从水面开始升高,托举力和转矩振幅先增大后减小,推力振幅单调递减,三维驱动输出峰值对应不同轮轴高度;推力和转矩整体随航速增加而减小,随转速增加而增大,托举力的变化趋势不同.

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角(喷管偏角)下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。

矢量泵喷推进器尾流场特性及操纵性能研究

为改善潜艇泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性,降低潜艇噪声,提高潜艇的隐身性能。设计一种取消尾舵的潜艇矢量泵喷推进器,基于RANS方法对潜艇矢量泵喷推进器水动力性能进行数值计算,对潜艇尾流场特性、矢量泵喷推进器的推进性能和操纵性能进行研究,并与常规泵喷推进器作比较。计算结果显示,潜艇采用矢量泵喷推进器可取消尾舵的布置,降低转子盘面流场不均匀性,整体总阻力降低,推进器收到功率减小,推进效率提高19.9%;在0°~30°操舵舵角范围内,矢量推进器最大偏转力矩大于常规泵喷推进器+尾舵的偏转力矩。在相同的操舵角度下,矢量泵喷推进器偏转力矩大于常规泵喷推进器,说明潜艇安装矢量泵喷推进器可满足航行机动性的要求。这项研究为降低潜艇桨盘面不均匀性,提高潜艇声隐性能提供了新的途径。

水下矢量推进器的动力学分析

基于一种新型的深海螺旋桨矢量推进器,对其受力进行了分析和工程上的简化,建立了其动力学模型,并应用ADAMS软件进行了动力学的仿真与分析,得到了该推进器的动力学特性,为进一步的研究提供了基础。考虑到柔性轴系对整机性能的影响,将对螺旋桨轴进行柔性化处理,研究结果表明,柔性螺旋桨轴对系统动力学特性的影响非常明显。

可重构磁耦合水下推进器的磁场分析及性能评估

在保证微小型水下机器人运动灵活的同时,降低矢量推进器机械复杂性,改善其防水密封问题,设计了一款可重构磁耦合的水下矢量推进器。基于磁耦合非接触式动力传输,解决了驱动电机与螺旋桨之间的防水问题;与此同时,采用重构机构在两自由度内改变螺旋桨位姿,实现了可重构矢量推进水下机器人的目的。在建立磁耦合磁场模型的基础上,通过ANSYS Maxwell磁场仿真与搭建的磁转矩测量装置,验证了磁场建模的正确性并分析了重构机构对磁耦合动力传输磁转矩的影响。在此基础上,进一步搭建了螺旋桨水下测力装置,评估了转速与推力以及不同重构角下最大矢量推力的变化情况。结果表明,推进器能够在[-15°,15°]两自由度可重构角范围内稳定地输出矢量推力。

多矢量推进水下航行器6自由度非线性建模与分析

采用舵和矢量推进器联合进行航向控制的新型水下航行器,实现高、低速下不同航向控制方式的多种运动模式。根据其结构特点和运动特性,运用欧拉角法建立6自由度运动学模型,针对纵倾角θ=±90°时存在奇异点的问题,采用四元数法进行解决,保证任意姿态下的运动求解。基于牛顿第二定律和拉格朗日方法建立多矢量推进水下航行器的6自由度非线性动力学模型,两种方法所推导的动力学模型完全一致,验证模型的正确性,并为控制系统的设计奠定基础。进一步采用四阶五级龙格—库塔积分算法进行动力学方程求解,解决水下航行器耦合非线性空间运动方程运算难和显示难的问题。通过多矢量推进水下航行器空间运动性能的计算和分析,进一步验证其运动学和动力学模型的有效性,并表明低速航行时采用矢量推进器控制航向和高速航行时采用舵控制航向可以较大地提高水下航行器的机动性能。

矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真

采用单矢量推进器进行航向控制的自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV),与采用传统的鳍舵进行航向控制的AUV相比,具有更好的低速操控性及定位精度.根据单矢量推进式AUV的特点,将AUV的推力视为螺旋桨转速及矢量推进器摆角的函数,运用Newton-Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型和动力学模型,采用四阶五级龙格-库塔方法对单矢量推进式AUV动力学模型进行了求解,在Matlab环境下对其动力学行为进行了仿真预测,并通过水域试验验证了所建模型的正确性,为控制系统的设计奠定了基础.

关于水下航行器矢量泵喷推进器的研究进展

对矢量泵喷推进器的国内外研究进展进行综述,展望矢量泵喷推进器的水动力学研究方向,建议以矢量泵喷推进器的操纵性和声隐性的水动力学研究、航行器整体运动响应作为未来研究方向,对我国舰船动力系统技术和装备发展具有重要意义。

矢量推进水下航行器的自适应控制

文中在国内外学者的研究基础上,针对配备了矢量推进器的自主水下航行器,应用Backstepping方法,设计一种模型参考自适应控制器。最后通过仿真实验,证明该控制器具有鲁棒性,在未知因素干扰下,使得自主水下航行器的运动轨迹能达到期望轨迹。

矢量喷水推进两栖车航行姿态的数值及试验分析

为提高高速水陆两栖车的航行稳定性,降低两栖车遭遇波浪时的纵倾幅度,区别于多推进器构型策略,设计具备航向保持和姿态调整功能的单矢量喷水推进器系统应用于模型两栖车。基于多参考系的动参考系方法处理旋转流域,采用SST k-ω模型计算矢量喷水推进器的输出推力。结合CFD计算的推力结果,联合Vortex仿真计算装配有矢量喷水推进器的两栖车的航行特性。通过开展拖拽水池两栖车强制自航减摇试验和自由自航航向保持试验,验证矢量喷水推进器的功能。仿真和试验结果表明:矢量喷水推进器在一定程度上抑制两栖车在航行时遭遇纵波时的纵摇幅度,两次减摇试验车体纵倾角标准差分别降低38%、23%;同时矢量喷水推进器可使两栖车在水上航行时保持航向稳定,航向保持试验中车体横向位移小于0.6 m。