智能水下机器人模块化建模技术研究

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正如基于火箭推送系统的宇宙飞船、探测器等是人类探测宇宙空间的必备手段,专为水下作业尤其是深海作业而生的智能水下机器人,摆脱了线缆限制,基于人工智能的决策与控制技术,自主完成预定任务,成为人类对海洋探测、开发与利用的最佳工具。针对定向任务的智能水下机器人,只能搭载有限的功能负载,无法满足日益多样性的任务需求。目前较可行的解决方案是:研制一种模块化的,任务可重构、功能可扩展的水下机器人,它具有一套按照统一标准设计的功能模块。配置不同的功能部件,就能实现不同功能,使同一个/款水下机器人,完成多种任务成为可能。与智能水下机器人结构和硬件方面的模块化相匹配,对潜水器建模时也采用模块化的思想,提升了数据的利用率和工作效率,降低了水动力的模块化应用的复杂程度,为模块化技术的应用和普及提供便利。首先基于水下机器人模块化理论与理念,给出了模块与开放平台的的概念,详述了模块的划分原则。按照功能和结构两种方式对模块进行分析。已成型的模块需要选择一种简单高效的建模方法,通过对模块结构以及其它影响因素的分析,基于模块化理论,建立一种简单有效的,水动力模块化建模方法。为了构建出水下机器人的水动力模型,分析了水下机器人的运动学模型和动力学模型。建立两个坐标系,并推导出坐标变换关系,根据牛顿第二定律,将水下机器人设为刚体,推导出运动学模型。在此基础上,所有外力归类分析,通过推导与计算,建立动力学模型,继而得到两个坐标系下,六自由度运动的平衡方程。对水下机器人进行模块化建模,根据模块化原则,利用流体力学的理论,以及经验公式,确立模块化水动力模型的建立方法。针对流行艇体,将模块数据化,建立标准的模块数据格式。结合经验公式和切片理论,给出基于模块的受力分析方法。通过模块化的分析方法,建立完整的模块化六自由度水动力模型。通过仿真对比试验,将建立的模型与传统的水动力模型相比较,通过潜水器各个典型机动状态下的运动参数的对比,验证模块化水动力建模的可行性。并设计能够快速得到水下机器人动力学参数的算法软件,进一步提升模块化建模的便利性,以契合模块化技术为智能水下机器人的设计、制造和使用提供最大便利的初衷。
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