控制导管螺旋桨、机器人本体与脐带缆耦合作用下带缆遥控水下机器人水动力问题研究

The common basic theory and numerical simulation problems of remote control tethered underwater robot systems during control manipulations with coupled hydrodynamic effects of three sub-system considered in the robot are investigated. In the research, the integrated hydrodynamic model is established, in the model the coupled hydrodynamic factors of control propellers, robot's main body and umbilical cable are involved; the numerical methods to describe the hydrodynamic loadings on the main body and the propeller control forces in their composit unit through CFD appoaches during its control manipulation is proposed; a mathematical model suitable to simulate dynamic behavior of an umbilical cable in the remote control tethered underwater robot system in a low tension condition is put forward; the experimental technique of ultrasonic ranging applied to detect the trajectory and attitude information of a tethered underwater vehicle in a laboratory condition is developed. By means of numerical simulation and experimental robot's prototype tests, the dynamic nature of the robot during its trajectory and attitude control manipulation is observed, the dynamic characteristics of different parts of the tethered underwater robot system and their mutual relationship among different portions in the system are analyzed, and the hydrodynamic performance and effective control mechanism to maitain the robot's attitude when it is manipulated by a desinated trajectory and attitude control command under a specific ocean environment are discussed.

本项目研究带缆遥控水下机器人系统在操纵控制过程中、在组成水下机器人的三个子系统动力因素耦合作用影响下的水动力基础理论与数值模拟问题。研究中，将导出控制螺旋桨、机器人本体与脐带缆相互耦合形式的水下机器人系统水动力整体数学模型；提出一个将水下机器人与控制螺旋桨组合为一个整体、以CFD手段来确定水下机器人在操纵控制过程中水动力载荷与螺旋桨控制力的数值方法；建立适用于带缆遥控水下机器人低张力脐带缆力学特征的数学模型；发展利用水下超声波测距系统进行带缆遥控水下机器人轨迹与姿态检测技术。通过数值模拟配合实验室样机试验，观察机器人系统在其轨迹与姿态操纵控制过程中的动力状态，分析机器人系统中各组成部分的动力特征及其它们之间的相互动力关系，探讨在特定的海洋环境与轨迹与姿态控制要求条件下维持水下机器人姿态稳定的水动力本质及其对其进行有效控制的机理。

以研究带缆遥控水下机器人系统在操纵控制过程中，在导管螺旋桨、机器人主体与脐带缆动力因素耦合作用影响下的水动力基础理论与数值模拟问题为目标开展本项目的研究工作。重点开展了完整的带缆遥控水下机器人系统水动力数学模型的建立、以多重滑移网格技术模拟水下机器人系统中导管螺旋桨在其主体流场影响下推进力特性、基于动网格与滑移网格混合技术的水下机器人或导管螺旋桨水动力分析方法、收放缆与导管螺旋桨联合操纵下水下机器人深度轨迹控制及水动力问题研究、水下机器人系统研发及其机电及控制设计、带缆遥控水下潜器运动轨迹与姿态实验室运动信息采集系统研发、带缆遥控水下机器人自动升沉补偿液压系统设计、水下机器人螺旋桨驱动电机的转矩水密输出技术研究、符合低张力状态的脐带缆力学模型等专题方向的研究。项目组在采用动网格与多重滑移网格相结合技术来分析导管螺旋桨整体运动状态与螺旋桨旋转状态下螺旋桨所发出的推力专题研究取得重要进展；在使用动网格技术来分析作用于运动状态下的水下机器人主体水动力载荷、通过控制脐带缆微段的长度扩展了模型中收放缆动作的功能等领域取得初步突破；在水下机器人系统研发、水下机器人相关机电技术研究、水下潜器系统运动学信息采集技术研究等方向取得合乎项目预期的成果。本项目所取得的成果，进一步完善和充实了已有的带缆遥控水下机器人系统水动力数学模型。利用这种模型和所取得的成果，为我们在分析机器人系统中各组成部分的动力特征及其它们之间的相互耦合动力关系、探讨在特定的海洋环境与轨迹与姿态控制要求条件下水下机器人的水动力本质及其对其进行有效控制的机理提供一个更加客观和有效的理论研究、数值模拟与工程设计的工具和手段。