| 题名 | USV与AUV一体化系统概念设计与回收原型系统验证 |
| 作者 | 陈佳伦1,2 |
| 答辩日期 | 2020-05-26 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 林扬 |
| 关键词 | 一体化 水下机器人 水面无人艇 水面回收 试验验证 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 其他题名 | Conceptual design of USV and AUV integrated system and verification of recovery prototype system |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 英文摘要 | AUV（Autonomous Underwater Vehicles，以下简称AUV）是探测水下环境的主要作业载体，技术水平相对成熟，针对未来深远海的探测需求增加，AUV受限于能源技术，单独作业方式已经难以满足下一步任务需求，随着无人水面艇（Unmanned Surface Vehicles，以下简称USV）技术发展，结合共融机器人作业优势，USV和AUV共融作业模式是未来海洋工程的发展方向之一。两载体之间如何最大化利用自身优势、互相弥补劣势，形成物理关联是目前亟需解决的问题。本文为解决上述问题，首先提出了USV与AUV一体化系统概念设计，并且基于一体化概念设计了USV水面动态回收AUV方案的原型系统。本文将回收原型系统划分为三个阶段，逐步进行动力学仿真分析以及阶段性试验验证，对一体化系统回收技术研究具有一定的指导借鉴意义。本文的主要研究内容和研究结论如下：（1）本文针对实现未来海洋高效探索模式所面临诸多困难因素，结合便携式AUV实际技术水平，提出了USV与AUV一体化系统概念设计，依据应用场景规划作业功能以及作业流程，与科考船模式进行了经济性对比分析。基于一体化概念中回收原型系统设计了三体艇型USV，提出了USV水面动态回收AUV方案，并且将其划分为三个阶段进行后续逐步分析。（2）针对水面动态回收方案第一阶段AUV水面稳定航行，以实验室便携式AUV为研究对象，重点分析AUV水面航行动稳定性，通过受力分析建立AUV纵垂面稳定性动力学方程，针对无因次方程中水动力系数使用CFD仿真计算方法求解，得到AUV水面稳航纵垂面控制规律。通过AUV水面航行外场试验，验证AUV纵垂面水动力分析准确性，可依据该流程针对同类型回转体AUV进行稳定性数理分析。（3）针对水面动态回收方案第一、二阶段，基于STAR-CCM+对USV水面动态对接AUV过程展开动力学仿真分析。首先对便携式AUV进行了无浪水面航行仿真模拟，分析不同上浮舵角条件下AUV的纵倾角、速度稳定范围，通过与数理模型、试验数据对比，验证仿真结果的可靠性。其次，对三体艇型USV进行了主体与侧体之间的兴波阻力分析，依据AUV稳定范围选取相应工况，模拟AUV水面追逐不同速度USV过程，重点分析AUV逐渐靠近动态USV过程中对其稳定航行影响，优化回收方案参数设计。最后，基于实验室现有条件，完成了便携式USV水面动态对接AUV方案的湖上演示试验，验证了USV自主水面动态回收AUV方案的可行性。（4）针对水面动态回收方案第三阶段，AUV进入USV倾斜滑道过程结合流体力学与碰撞理论展开研究。首先选取ADAMS和STAR-CCM+作为仿真平台对比，分析简化流体环境中碰撞问题，即分别完成相同条件的AUV简化碰撞力仿真计算。其次，搭建水池试验平台，完成同仿真条件下的碰撞力数值测量，综合考虑试验数据以及应用场景，选取STAR-CCM+仿真平台模拟USV水面动态回收AUV过程。最后，通过对多种回收方案改进分析，提出USV倾斜输送方案的仿真回收时长最短，确定水面动态回收方案参数范围。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 113页 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/27138]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_海洋信息技术装备中心 |
| 作者单位 | 1.中国科学院沈阳自动化研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈佳伦. USV与AUV一体化系统概念设计与回收原型系统验证[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2020. |
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