海浪条件下多运动态潜航器的创新设计与运动机理研究

A multi-moving state AUV provided with the functions such as the submarine vectorial thrust, landing on the sea bottom, wheel driving on the ground and crawling on the ground is designed in this project. In order to achieve the functional requirements of multi-moving state, five key theoretical issues about the motion mechanism of the AUV such as vectorial thruster technology, design of a new wheel propeller, kinematics and dynamics, navigation control and the ambient flow field in complex sea conditions will be studied systematically. The five key theoretical issues all conquer conventional technique shortages, new theories and methods that achieving or predicting the multi-moving state performance under wave disturbance are proposed. The theoretical research can realize the results such as a vectorial transmission shaft with the characteristics of spatial deflexion and continual circumgyratetion, parameterized design of the new wheel propeller with preferable open-water performance and intensity characteristics that satisfying multi-moving state requirements, motion computation and kinetic analysis of AUV's arbitrary postures under wave disturbance, a second-order sliding mode controller with double-loop structure based on dynamic boundary layer that ensuring AUV's trajectory high-precision tracking performance under wave disturbance, fast and exact prediction of the ambient flow field characteristics and the interaction mechanism between AUV hull and wheel propellers. The elaborate data obtained from the theoretical research can provide an important theoretical guidance and technical support for the manufacture of experimental prototype.

项目创新设计了一种具有水下矢量推进航行、海底着陆坐底、地面轮式行驶和地面爬行功能的多运动态潜航器。为使潜航器实现多运动态的功能要求，重点针对与潜航器运动机理相关的矢量推进技术、新型轮式螺旋桨设计、运动学与动力学、航行控制技术以及绕流场特性五项关键问题展开系统深入的理论研究。这五方面理论研究中均克服传统技术的不足，提出适于实现或预报海浪条件下潜航器多运动态性能的新理论和新方法。理论研究结果可实现具有360°全方位偏转运动和自旋运动双功能的矢量传动轴、敞水性能和强度特性均符合多运动态功能的新型轮式螺旋桨参数化设计、海浪条件下潜航器任意姿态的运动求解和动力学分析、海浪条件下保证潜航器高精度轨迹跟踪的一种基于动态边界层的双环结构滑模控制器、海浪条件下潜航器高速迎浪航行时绕流场特性和艇/桨相互作用机理的快速精确预报，这些理论研究成果所获得的详细数据可为进一步制作试验样机提供重要的理论依据和技术支持。

现代自主式潜航器是一个能在复杂海洋环境下执行各种军民用任务的智能化无人平台，能够较好地满足科学研究、军事行动和商业应用等需求，充分开发和利用海洋资源。随着使命需求的不断复杂化和多样化，潜航器正朝着系统化、多功能化及集群技术方向发展。现有功能单一的潜航器已无法满足目前任务需求的变化，更重要的是复杂海况下潜航器的设计理论也亟待进一步完善，以适应潜航器的概念设计，保证多功能潜航器具有抵抗环境扰动、机动灵活地完成各种任务的能力。因此，复杂海况下多运动态新型潜航器的总体设计及相应关键技术问题的研究对于推进我国自主式潜航器的发展具有重要的理论意义和工程应用价值。本文密切追踪自主式潜航器的国际发展前沿，以小型化、模块化、经济性和可靠性为设计目标，研制了一种具有水下矢量推进航行、海底着陆坐底、地面轮式行驶和地面爬行功能的多运动态新型潜航器，并针对其在复杂海况下的运动学与动力学、航行控制以及绕流场特性等若干关键理论问题进行了系统深入地研究，为进一步制作试验样机提供了重要的理论依据和技术指导。概括起来，论文的主要成果有以下几个方面：(1) 提出了多运动态新型潜航器的总体设计方案。采用主附体可分离的总体结构，分别设计了升沉系统、矢量推进装置、测量和通讯模块、操纵模块以及控制系统，并详细分析了其系统结构及工作原理，保证了新型潜航器具有水下矢量推进航行、海底着陆坐底、地面轮式行驶和地面爬行的多动态功能；(2) 研究了新型轮式螺旋桨的参数化设计及其力学性能；(3) 研究了复杂海况下新型潜航器的非线性动力学问题；(4) 研究了复杂海况下新型潜航器轨迹跟踪控制问题；(5) 研究了复杂海况下新型潜航器的粘性流场特性。