水下机器人现代设计技术

目录
序
前言
第1章 绪论 1
1.1 水下机器人的应用 1
1.1.1 海洋资源概述 1
1.1.2 海洋开发的重要意义 4
1.1.3 水下机器人应用领域 5
1.2 水下机器人的概念及分类 7
1.3 水下机器人发展现状 8
1.4 水下机器人关键技术 14
1.5 水下机器人未来发展展望 17
1.6 本书内容 18
参考文献 18
第2章 水下机器人结构设计 20
2.1 水下机器人常用设计方法 20
2.2 水下机器人的系统结构 22
2.3 水下机器人的总体布局 31
2.3.1 水下机器人形体的选择 32
2.3.2 推进器的数量和布置 32
2.3.3 机械手、电视和照明装置的布置 35
2.4 水下机器人的稳定性设计 36
2.4.1 浮体材料选择 36
2.4.2 浮力调节系统 39
2.4.3 水下机器人各部分相对比重量的分析与确定 39
2.4.4 水下机器人重心与浮心计算 41
2.5 水下机器人结构现代设计方法 44
2.5.1 ANSYS有限元分析技术 44
2.5.2 CFD软件分析技术 44
2.5.3 MATLAB/Simulink仿真技术 45
2.5.4 虚拟样机联合仿真技术 45
2.6 水下机器人结构设计案例 46
2.6.1 AUV整体结构方案设计 46
2.6.2 基于有限元软件的耐压舱壁厚设计 53
2.6.3 AUV水动力性能分析 59
参考文献 73
第3章 水下机器人流线型设计 75
3.1 水下机器人壳体建模及其设计 75
3.1.1 水下航行器壳体线型设计理论 75
3.1.2 小型 AUV壳体线型设计原理 77
3.1.3 水下机器人力学特征及壳体主要设计原则 83
3.1.4 壳体外形建模方案 84
3.2 基于CFD的导流罩流线型设计 89
3.2.1 导流罩优化设计 90
3.2.2 AUV流动情况分析 103
3.3 基于功率流的流线型壳体优化设计技术 105
3.3.1 结构优化分析概述 105
3.3.2 基于结构声强中单元薄膜力输出参数的壳体优化分析 106
3.3.3 AUV流线型壳体优化分析 111
参考文献 115
第4章 水下机器人能源与动力 116
4.1 能源选择及计算 116
4.1.1 能源选择 116
4.1.2 蓄电池容量的计算 121
4.2 常用驱动方式 122
4.3 推进器动力分析与计算 126
4.3.1 推进器推力分析 126
4.3.2 推进器推力计算 127
4.3.3 推进功率计算 128
4.3.4 实现六自由度控制的多推进器布置角度分析 129
4.4 水下机器人推力性能测试实例 132
参考文献 134
第5章 水下机器人系统辨识方法研究 135
5.1 推进器参数辨识 135
5.2 AUV水动力参数辨识 138
5.2.1 AUV水平面水动力参数辨识 138
5.2.2 AUV垂直面水动力参数辨识 144
5.3 基于遗传算法的AUV水动力参数辨识 150
5.3.1 遗传算法基本原理 150
5.3.2 Rastrigin函数GA优化实例 155
5.3.3 遗传算法辨识AUV水动力参数 157
参考文献 167
第6章 水下机器人运动分析 169
6.1 坐标系和参数定义 169
6.2 不同坐标系之间参数的转换 170
6.2.1 位移矢量在不同坐标系之间的转换 170
6.2.2 速度、加速度在不同坐标系之间的转换 171
6.3 水下机器人水平面和垂直面运动 172
6.3.1 水平面运动 172
6.3.2 垂直面运动 173
6.4 水下机器人在合力作用下的空间运动表达式 174
6.5 水下机器人动力学分析 176
6.5.1 与速度相关的水动力导数 177
6.5.2 与加速度相关的水动力导数 177
6.5.3 AUV 的黏性类水动力系数 178
6.6 水下机器人的空间运动方程 181
6.6.1 水下机器人在水中受到的合外力 181
6.6.2 水下机器人空间运动方程建立 181
6.6.3 考虑海流作用时的水下机器人空间运动方程 184
参考文献 184
第7章 底层控制系统设计 185
7.1 小型AUV及推进器模型仿真与分析 185
7.1.1 AUV仿真模型建立 185
7.1.2 推进器的电机控制策略 191
7.1.3 推进器仿真模型 192
7.2 推进器的人工免疫控制 196
7.2.1 人工免疫控制 196
7.2.2 推进器免疫模型构建与仿真分析 199
7.3 水下机器人空间姿态控制系统设计 205
7.3.1 滑模变结构控制的基本概念 205
7.3.2 水下机器人空间姿态控制模型 206
7.3.3 姿态控制系统双环滑模控制律的设计 208
7.3.4 姿态控制系统建立与仿真 210
参考文献 214
第8章 水下机器人虚拟样机控制系统仿真设计 215
8.1 虚拟样机几何物理模型的建立 216
8.1.1 几何模型的建立与ADAMS的导入 216
8.1.2 输入输出变量的定义 217
8.1.3 虚拟样机水动力设置 218
8.2 虚拟样机控制模型 219
8.2.1 控制系统总述 219
8.2.2 虚拟样机控制模型建立 221
8.3 虚拟样机系统联合仿真及结果分析 223
8.3.1 AUV的控制系统模型 224
8.3.2 虚拟样机系统联合仿真 226
参考文献 228
第9章 水下机器人轨迹跟踪控制器与路径规划 230
9.1 水下机器人空间运动方程的简化与分解 230
9.1.1 非奇异终端滑模控制 231
9.1.2 PF问题描述 233
9.2 控制器设计 234
9.2.1 巡航速度控制器的设计 235
9.2.2 位置控制器的设计 235
9.2.3 艏向角控制器的设计 236
9.3 轨迹跟踪仿真分析 237
9.4 虚拟样机系统全景综合仿真 240
9.5 水下机器人路径规划 243
9.5.1 拐点速度和总能耗的计算方法 243
9.5.2 基于耗能优的改进蚁群算法 247
9.5.3 仿真实验及分析 249
参考文献 252
第10章 基于人工侧线系统的水下机器人感知研究 254
10.1 人工侧线系统基本理论及现状分析 254
10.2 基于人工侧线系统的水下航行器流场感知研究 256
10.2.1 静载体对流场参数的感知 256
10.2.2 动载体对流场参数的感知 259
10.2.3 静载体对障碍物参数的识别 261
10.2.4 基于机器学习算法的流场参数感知 264
10.3 基于人工侧线系统的水下航行器姿态感知研究 266
10.3.1 人工侧线系统载体的仿真建模 266
10.3.2 仿生盒子鱼载体的设计制作及水槽实验 273
10.3.3 基于神经网络算法的数据处理 278
10.4 基于人工侧线系统的水下航行器水下振源感知研究 281
10.4.1 偶极子振动源定位的数学模型 281
10.4.2 偶极子振动源运动参数的感知 283
10.4.3 移动振动源形态参数的感知 293
10.5 本章小结 295
参考文献 296
附录A 贝塞尔曲线算法 298
附录B B样条曲线生成算法 299
附录C 求解X方向运动时所用的MATLAB函数程序 301
附录D 外环滑模控制器MATLAB函数程序 302
附录E 内环滑模控制器MATLAB函数程序 304
附录F 非奇异终端滑模控制算法 305
彩图