CN110262526A - 一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法。本发明包括：建立水下机器人6自由度操纵运动坐标系，构建对应的空间6自由度方程，建立水下机器人模型，通过网格划分软件建立流场拓扑结构和混合网格系统，通过流体分析软件组装水下机器人模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式和界面的运动形式；通过编写和设置模拟水下机器人6自由度运动过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人6自由度运动的过程。本发明能获得水下机器人运动过程中的受力，速度变化等实时瞬态的物理运动；通过状态云图再现载体复杂操纵运动过程的内在物理作用机理；有利于对安全性进行评估，提高AUV作业的可靠性。

Description

一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值 方法

技术领域

本发明涉及船舶、水下机器人、潜艇、鱼雷等海洋载体和航空载体的操纵运动响应分析和运动性能评估领域，尤其涉及一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法。

背景技术

当前主要基于传统的潜艇操纵性方程进行载体空间6自由度操纵运动预报。它是基于水动力系数的一种模型。这种方法首先通过载体的拖曳试验，平面机构或悬臂水池等试验，采用面元法，或者采用数值模拟方法拟合得到载体的水动力系数，然后在matlab的simulink或VC平台进行基于系数模型的仿真，获得载体的操纵运动预报。这种方法是无载体实物模型的一种方法，受限于水动力系数，受限于水动力系数获得所对应的试验的运动，无法对任意运动进行数值仿真；同时仿真结果只能给出载体的宏观受力、运动和轨迹，无法获得载体各个部件的耦合效应；无法获得详细的流场特征，无法反映复杂操纵运动的内在物理规律。

而基于载体自航操纵运动的类物理数值模拟则弥补了基于水动力系数的载体操纵性方程的不足。当前最新的技术已经可以实现基于重叠网格法的载体4自由度的定常运动仿真，比如载体的zigzag操纵运动仿真，包含载体的推进器旋转运动，舵翼的偏转运动，以及载体三个自由度的运动：纵荡，横荡和转首运动；载体的回转运动模拟，则包含载体的4个自由度运动的模拟：纵荡，横荡，转首和横滚运动；以及载体的随浪运动，则包含纵倾，垂荡和纵荡三个自由度的运动。此外，也有采用动网格技术实现载体的自航操纵仿真运动，包括横滚运动，纵荡两个自由度运动。现有技术还不能实现载体空间6自由度自航操纵运动的类物理数值模拟。这主要受限于载体6自由度运动的各自由度高度耦合性，导致网格构建复杂，网格运动困难。复杂的网格运动容易导致网格畸变，导致计算失败。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法。本发明采用的技术手段如下：

一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，包括如下步骤：

步骤1：建立水下机器人6自由度操纵运动坐标系，其包括用于显示运动参数的大地坐标系和用于方便加载水下机器人配件受力的载体运动坐标系，基于大地坐标系下的运动参数构建对应的空间6自由度方程，6自由度包括载体的旋转运动和纵向运动，横移运动和垂向运动，所述载体的旋转运动包括横滚，纵倾和转首，其中，将载体的旋转运动，限制在载体坐标系中，将载体的纵向运动，横移运动和垂向运动，转移到大地坐标系中显示；

步骤2：通过实体建模软件建立三维1:1的设有分离螺旋桨和舵的水下机器人模型；

步骤3：将构筑完成的水下机器人模型导入网格划分软件中，建立适合水下机器人6自由度运动的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人6自由度运动所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接；

步骤4：建立水下机器人6自由度运动的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；

步骤5：通过流体分析软件组装所述水下机器人模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式和界面的运动形式；通过编写和设置模拟水下机器人6自由度运动过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人6自由度运动的过程。

进一步地，所述步骤5后还有步骤6，通过云图将记录的模拟水下机器人6自由度操纵运动过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人6自由度操纵运动过程中的受力、速度和压力场变化，再现水下机器人真实6自由度操纵运动的试验运动过程。

进一步地，所述步骤2中，建模的过程具体为：

依据载体尺寸和线型确定水下机器人载体模型，依据螺旋桨剖面形状和螺旋桨几何参数确定螺旋桨模型，依据舵剖面参数确定舵模型，利用SolidWorks软件或其他三维建模软件绘制和真实物体一致的数值模型，其中，螺旋桨在轴向与载体之间留有预设的缝隙，舵在载体周向留有预设的缝隙。

进一步地，所述步骤2中，将水下机器人空间运动所在流场划分为多个流场区域具体为将载体的局部旋转运动限制在包含载体坐标系的中心球域内，将大范围平移运动传递到外围的方形流域，具体包括：左右垂直域和前后垂直域，其中，左右垂直域包括：

C区域，其为水下机器人模型运动的主要影响流域，其包括CA区域和CB区域，其中，

CA区域，其包含水下机器人载体、螺旋桨和舵的球型流域，可以做任意方向的旋转运动。

CB区域，其作为旋转运动的中心球域和外围平移运动的方形域之间连接的过渡域；

L区域，其为C区域左侧的矩形区域；

R区域，其为C区域右侧的矩形区域；

S1区域，其为C区域、L区域、R区域上方的矩形区域；

S2区域，其为C区域、L区域、R区域下方的矩形区域；

S3区域，其为S1区域、L区域、S2区域左方的矩形区域；

S4区域，其为S1区域、R区域、S2区域右方的矩形区域；

前后垂直域包括：

S5区域，左右垂直域中各区域前方的矩形区域；

S6区域，左右垂直域中各区域后方的矩形区域；

第一界面，其为螺旋桨区域与水下机器人载体区域的交界面，当螺旋桨区域运动后，其随载体呈纵倾、横滚和转首以及纵荡、横荡和垂荡运动；

第二界面，其为水下机器人载体区域与CA区域的交界面，当载体区域运动后，其随载体作纵倾、横滚和转首以及纵荡、横荡和垂荡运动；

第三界面，CA和CB交界面，其随载体作纵荡、横荡和垂荡运动；

第四界面，为L区域与S3区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第五界面，其为L区域与CB区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第六界面，其为R区域与S4区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第七界面，其为R区域与CB区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第八界面，其为S1下界面，分别与L,CB,R交界，当载体区域运动后，此界面随载体运动，靠近S1区域的上界面(静止)的网格拉伸(载体向下运动)或压缩(载体向上运动)；

第九界面，其为S2的上界面，分为与L,CB,R交界，当载体区域运动后，此界面随载体运动，靠近S2区域的下界面(静止)的网格拉升(载体向上运动)或压缩(载体向下运动)；

第十界面，其为S5的右界面，分别与S1，CB和S2交界，当载体运动后，此界面随载体作横移运动，靠近S5左边界(静止)的网格压缩(载体向左运动)或拉升(载体向右运动)；

第十一界面，其为S6的左界面，分别与S1，CB和S2交界，当载体运动后，此界面随载体作横移运动，靠近S6的右边界(静止)的网格压缩(载体向右运动)或拉升(载体向左运动)。

进一步地，所述步骤4中，根据不同的流场区域设计不同类型的网格具体为：在中心CA区域内，AUV和舵表面采用结构网格绘制，螺旋桨表面非结构网格绘制，CA区域内的体网格为结构网格，CB区域采用结构网格绘制，其他外围流域S1～S6的网格全部为结构网格。

进一步地，所述步骤5中，不同的流场区域相应的区域运动形式具体为：

CA区域随载体作刚体旋转运动以及平移运动；CB区域做为过渡流域，不旋转，但是具有和AUV一致的平移运动；L区域和R区域具有纵荡、垂荡和横荡运动；S1区域和S2区域同时具有垂荡和横荡运动；S5和S6具有横荡运动；S3和S4静止。

进一步地，所述步骤5具体包括如下步骤：

步骤51、水下机器人模型在初始时刻处于静止状态；

步骤52、通过对螺旋桨模型赋予预设的转速，其产生预设的推力；

步骤53、螺旋桨模型的推力传递给水下机器人模型，水下机器人模型在此推力下，结合当前的水下机器人模型速度，产生阻力，将阻力和推力的合力作用在水下机器人模型，求解水下机器人模型6自由度空间运动方程，获得水下机器人模型的新速度；

步骤54、水下机器人模型在此新的速度下运动；

步骤55、读取此新的速度后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，流域C以及外围流域，产生相应的流域运动，流场中对应的网格也需要更新，网格更新的条件是当网格压缩到指定网格尺寸的一定比例或拉伸超过指定网格尺寸的一定范围，就需要网格重新生成，新生成的网格需要从上一迭代步对应的网格中进行插值获得流场值；

步骤56、当水下机器人模型具有一定速度后，接收到旋转运动请求指令；

步骤57、水下机器人模型开始偏转尾部舵，根据水下机器人模型的姿态角，舵模型进行偏转，产生力和力矩；将此力和力矩传递给水下机器人模型，结合水下机器人模型的6自由度空间运动方程，求解获得水下机器人模型的角加速度，并进行计算，得到水下机器人模型的转向角；水下机器人模型在转向角的请求下，绕自己重心进行转向；

步骤58、将水下机器人模型的转向运动对应的速度分解，对应多个方向的平移速度分量，传递给外围流域，使流域产生外围的平移运动；

步骤59、将水下机器人模型的转向角传递给螺旋桨，求解螺旋桨模型旋转速度分量，同时将水下机器人模型的平移速度传递螺旋桨，则螺旋桨模型在新的平移速度和旋转速度下运动，产生新的推力和位移，并将推力传递给水下机器人模型；

步骤510、将水下机器人模型的转向角传递给舵，获得舵的偏转角速度分量，同时将水下机器人模型的平移速度传递给舵，在舵模型具有新的偏转角速度和平移速度，由此产生新的偏转力矩和力和位移，将舵力和力矩传递给水下机器人模型；

步骤511、将螺旋桨模型的推力，舵模型的力和力矩作用于水下机器人模型，求解水下机器人模型的6自由度方程，获得水下机器人模型相应的旋转运动，以及相应方向的平移运动；

步骤512、求解水下机器人模型的旋转姿态角；

步骤513、将水下机器人模型的平移运动传递给外围流域，外围流域作平移运动；根据水下机器人模型的姿态角，螺旋桨模型进行旋转速度分解，舵模型进行偏转速度分解，以使螺旋桨模型和舵模型跟随水下机器人模型运动，不偏离对应的旋转主对称轴；

步骤514、判断载体模型是否有持续姿态改变要求，有则跳转到步骤56，如此循环，直到水下机器人模型没有操纵指令需求，则完成空间操纵运动。

进一步地，所述步骤5中设计的用户自定义函数模块包括：舵模块、螺旋桨模块、AUV模块和流域模块，所述舵模块用于执行舵的偏转运动，产生力和力矩，记录舵力和力矩；所述螺旋桨模块用于执行螺旋桨运动，计算螺旋桨推力，记录螺旋桨推力；所述AUV模块则用于读入推力，舵力和力矩，计算阻力，求解6自由度运动方程，计算新的AUV速度，角速度，积分得到AUV的姿态角；所述流域模块读取AUV速度，让流域进行相应的平移运动。

进一步地，还通过如下方法对载体空间六自由度自航操纵运动预报的数值精度进行验证：

1)载体，螺旋桨和舵的网格无关性验证；2)螺旋桨敞水试验验证；3)载体定常自航操纵运动的MFR(Multi-frame References,多参考系坐标法)验证；4)载体自航试验的试验验证；5)载体定向自航下潜的数值验证；6)载体改变纵倾角的自航下潜数值验证；7)螺旋桨旋转和舵偏转的下潜自航操纵模拟验证；8)载体空间6自由度自航操纵运动的预报。

本发明能直接模拟螺旋桨旋转运动和舵偏转运动引起AUV6自由度复杂操纵运动响应过程。利用本发明的方法，能获得AUV6自由度运动过程中的受力，速度变化等实时瞬态的物理运动；并给出任意时刻的流场的速度云图，压力云图，速度矢量图等，再现载体复杂操纵运动过程的内在物理作用机理；有利于对已有操纵运动的安全性进行评估，提高AUV作业的可靠性和成功率；有利于开展新型AUV，新舵和螺旋桨的设计，实现AUV空间运动的最佳配置。同时，针对新型和新研制的载体或武器，采用本发明的类数值模拟方法，能减少设计成本，提高安全设计因素，对海洋载体复杂操纵的物理内因进行分析，有利于设计安全可靠的新型载体。

基于上述理由本发明可在海工设备运动性能评估领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明水下机器人空间6自由度自航操纵运动类数值模拟流程图。

图2为本发明水下机器人空间6自由度运动的坐标系和运动参数示意图。

图3为本发明AUV带分离螺旋桨和舵翼模型，其中，(a)为螺旋桨和舵翼的放大图，(b)为AUV整体示意图。

图4为本发明AUV6自由度运动过程中自转和公转分离的概念模型。

图5为本发明水下机器人空间6自由度自航操纵运动的网格拓扑结构示意图。

图6为本发明水下机器人空间6自由度自航操纵运动网格系统。其中，(a)为初始网格，(b)为适合于水下机器人旋转运动的球型网格域，(c)为水下机器人带舵和桨三维网格图。

图7为本发明水下机器人空间6自由度自航操纵运动的UDF函数流程图。

图8为本发明实施例中存储的水下机器人受力变化示意图，图中(a)AUV沿ξ轴方向的受力；(b)AUV沿ζ轴方向的受力。

图9为本发明实施例中存储的螺旋桨受力变化示意图，图中(a)螺旋桨沿ξ轴的推力，(b)螺旋桨沿ζ轴的推力。

图10为本发明实施例中水下机器人速度变化示意图，图中(a)AUV沿ξ轴方向的速度；(b)AUV沿ζ轴方向的速度。

图11为本发明实施例中不同时刻水下机器人瞬态速度云图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)分别对应时间0.1s、3.0s、5.0s、7.0s的速度云图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开了一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，包括如下步骤：

步骤1：建立水下机器人6自由度操纵运动坐标系，其包括用于显示运动参数的如图2所示的大地坐标系Eξηζ和用于方便加载水下机器人配件受力的载体运动坐标系Gxyz，基于大地坐标系下的运动参数构建对应的空间6自由度方程，6自由度包括载体的旋转运动和纵向运动，横移运动和垂向运动，所述载体的旋转运动包括横滚，纵倾和转首，其中，将载体的旋转运动，限制在载体坐标系中，将载体的纵向运动，横移运动和垂向运动，转移到大地坐标系中显示；其中大地坐标系下三个平移速度分别为V_ξ,V_η,V_ζ。载体三个姿态角分别对应横滚角φ，纵倾角θ和转首角ψ。载体的位移分别载体坐标系中沿着Gx,Gy,Gz三个方向的速度分别为u,v,w。旋转角速度分别为p,q,r。载体系下的力为X,Y,Z和力矩为K,M,N。对应的空间6自由度方程为方程(1～6)所示

步骤2：通过实体建模软件建立三维1:1的设有分离如图3(a)所示的螺旋桨和舵的如图3(b)所示的水下机器人模型；

步骤3：将构筑完成的水下机器人模型导入网格划分软件中，建立适合水下机器人6自由度运动的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人6自由度运动所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接，本实施例采用ANSYSICEM软件进行网格划分；

步骤4：建立水下机器人6自由度运动的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计如图6(a)(b)(c)不同类型的网格，得到网格模型；

步骤5：通过流体分析软件组装所述水下机器人模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式和界面的运动形式；通过编写和设置模拟水下机器人6自由度运动过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人6自由度运动的过程，本实施例采用ANSYS FLUENT软件进行流体分析。

所述步骤5后还有步骤6，通过云图将记录的模拟水下机器人6自由度操纵运动过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人6自由度操纵运动过程中的受力、速度和压力场变化，再现水下机器人真实6自由度操纵运动的试验运动过程。

所述步骤2中，建模的过程具体为：

依据载体尺寸和线型确定水下机器人载体模型，依据螺旋桨剖面形状和螺旋桨几何参数确定螺旋桨模型，依据舵剖面参数确定舵模型，利用SolidWorks软件或其他三维建模软件绘制和真实物体一致的数值模型，其中，螺旋桨在轴向与载体之间留有预设的缝隙，舵在载体周向留有预设的缝隙，以方便两者的旋转运动。

AUV空间6自由度运动属于最复杂的多自由度耦合运动，物体边界的各自由度运动牵连着周围流域网格的运动，物体多自由度的耦合导致流域网格也将是多个自由度耦合的，容易导致网格畸变，以及物体运动边界和网格运动的不匹配，处理不适容易导致两者脱离，导致计算无法进行。这是当前载体类物理数值模拟的困难所在，也是类物理数值模拟局限在直航，平面运动或垂直面运动的原因。本发明则解决了这个难题，第一次提出将载体空间6自由度的运动按照地球自转与公转的原理进行分解，如图4所示。图4对应两个坐标系，即载体坐标系和大地坐标系。将载体的旋转运动，即横滚，纵倾，转首的运动限制在载体坐标系中，即自转运动；将载体的纵向运动，横移运动和垂向运动，转移到大地坐标系中显示。

AUV空间6自由度运动对应的流场拓扑结构要反映载体的局部旋转运动和空间的大范围平移运动，因此对应的网格拓扑结构将这两部分分离。将载体的局部旋转运动限制在包含载体坐标系的中心球域内，将大范围平移运动传递到外围的方形流域。采用中心为球域的局部扰动区域，有利于载体作任意方向的旋转运动；而采用方形域的外围流域，有利于平移运动的网格变形，如图5所示，所述步骤2中，将水下机器人空间运动所在流场划分为多个流场区域具体为将载体的局部旋转运动限制在包含载体坐标系的中心球域内，将大范围平移运动传递到外围的方形流域，具体包括：左右垂直域和前后垂直域，其中，左右垂直域包括：

C区域，其为水下机器人模型运动的主要影响流域，其包括CA区域和CB区域，其中，

CA区域，其包含水下机器人载体、螺旋桨和舵的球型流域，可以做任意方向的旋转运动。

CB区域，其作为旋转运动的中心球域和外围平移运动的方形域之间连接的过渡域；

L区域，其为C区域左侧的矩形区域；

R区域，其为C区域右侧的矩形区域；

S1区域，其为C区域、L区域、R区域上方的矩形区域；

S2区域，其为C区域、L区域、R区域下方的矩形区域；

S3区域，其为S1区域、L区域、S2区域左方的矩形区域；

S4区域，其为S1区域、R区域、S2区域右方的矩形区域；

前后垂直域包括：

S5区域，左右垂直域中各区域前方的矩形区域；

S6区域，左右垂直域中各区域后方的矩形区域；

第一界面，其为螺旋桨区域与水下机器人载体区域的交界面，当螺旋桨区域运动后，其随载体呈纵倾、横滚和转首以及纵荡、横荡和垂荡运动；

第二界面，其为水下机器人载体区域与CA区域的交界面，当载体区域运动后，其随载体作纵倾、横滚和转首以及纵荡、横荡和垂荡运动；

第三界面，CA和CB交界面，其随载体作纵荡、横荡和垂荡运动；

第四界面，为L区域与S3区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第五界面，其为L区域与CB区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第六界面，其为R区域与S4区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第七界面，其为R区域与CB区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第八界面，其为S1下界面，分别与L,CB,R交界，当载体区域运动后，此界面随载体运动，靠近S1区域的上界面(静止)的网格拉伸(载体向下运动)或压缩(载体向上运动)；

第九界面，其为S2的上界面，分为与L,CB,R交界，当载体区域运动后，此界面随载体运动，靠近S2区域的下界面(静止)的网格拉升(载体向上运动)或压缩(载体向下运动)；

第十界面，其为S5的右界面，分别与S1，CB和S2交界，当载体运动后，此界面随载体作横移运动，靠近S5左边界(静止)的网格压缩(载体向左运动)或拉升(载体向右运动)；

第十一界面，其为S6的左界面，分别与S1，CB和S2交界，当载体运动后，此界面随载体作横移运动，靠近S6的右边界(静止)的网格压缩(载体向右运动)或拉升(载体向左运动)。

所述步骤4中，根据不同的流场区域设计不同类型的网格具体为：在中心CA区域内，AUV和舵表面采用结构网格绘制，螺旋桨表面非结构网格绘制，CA区域内的体网格为结构网格，CB区域采用结构网格绘制，其他外围流域S1～S6的网格全部为结构网格。各个流域的网格类型和数量如表1所示。CA随载体作刚体旋转运动；CB流域的网格自动变形；外围流域的网格采用结构网格的动态层方法进行更新。当AUV具有任意旋转运动时，即横滚，纵倾，回转运动，这三种旋转运动都在球型的CA流域内进行，整个CA流域随载体作旋转运动。由于初始时刻载体一般处于静止状态，当航行一段距离后，舵偏转才有舵效作用，因此将C流域置于整个流域左偏上位置。如果载体有上下，左右和前后较大的运动，C流域可以置于整个流场的中心区域。

表1网格类型和数量

所述步骤5中，不同的流场区域相应的区域运动形式具体为：

CA区域随载体作刚体旋转运动以及平移运动；CB区域做为过渡流域，不旋转，但是具有和AUV一致的平移运动；L区域和R区域具有纵荡、垂荡和横荡运动；S1区域和S2区域同时具有垂荡和横荡运动；S5和S6具有横荡运动；S3和S4静止。

所述步骤5具体包括如下步骤：

如图7所示，步骤51、水下机器人模型在初始时刻处于静止状态；

步骤52、通过对螺旋桨模型赋予预设的转速，其产生预设的推力；

步骤53、螺旋桨模型的推力传递给水下机器人模型，水下机器人模型在此推力下，结合当前的水下机器人模型速度，产生阻力，将阻力和推力的合力作用在水下机器人模型，求解水下机器人模型6自由度空间运动方程，获得水下机器人模型的新速度；

步骤54、水下机器人模型在此新的速度下运动；

步骤55、读取此新的速度后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，流域C以及外围流域，产生相应的流域运动，流场中对应的网格也需要更新，网格更新的条件是当网格压缩到指定网格尺寸的一定比例或拉伸超过指定网格尺寸的一定范围，就需要网格重新生成，新生成的网格需要从上一迭代步对应的网格中进行插值获得流场值；

步骤56、当水下机器人模型具有一定速度后，接收到旋转运动请求指令；

步骤57、水下机器人模型开始偏转尾部舵，根据水下机器人模型的姿态角，舵模型进行偏转，产生力和力矩；将此力和力矩传递给水下机器人模型，结合水下机器人模型的6自由度空间运动方程，求解获得水下机器人模型的角加速度，并进行计算，得到水下机器人模型的转向角；水下机器人模型在转向角的请求下，绕自己重心进行转向；

步骤58、将水下机器人模型的转向运动对应的速度分解，对应多个方向的平移速度分量，传递给外围流域，使流域产生外围的平移运动；

步骤59、将水下机器人模型的转向角传递给螺旋桨，求解螺旋桨模型旋转速度分量，同时将水下机器人模型的平移速度传递螺旋桨，则螺旋桨模型在新的平移速度和旋转速度下运动，产生新的推力和位移，并将推力传递给水下机器人模型；

步骤510、将水下机器人模型的转向角传递给舵，获得舵的偏转角速度分量，同时将水下机器人模型的平移速度传递给舵，在舵模型具有新的偏转角速度和平移速度，由此产生新的偏转力矩和力和位移，将舵力和力矩传递给水下机器人模型；

步骤511、将螺旋桨模型的推力，舵模型的力和力矩作用于水下机器人模型，求解水下机器人模型的6自由度方程，获得水下机器人模型相应的旋转运动，以及相应方向的平移运动；

步骤512、求解水下机器人模型的旋转姿态角；

步骤513、将水下机器人模型的平移运动传递给外围流域，外围流域作平移运动；根据水下机器人模型的姿态角，螺旋桨模型进行旋转速度分解，舵模型进行偏转速度分解，以使螺旋桨模型和舵模型跟随水下机器人模型运动，不偏离对应的旋转主对称轴；

步骤514、判断载体模型是否有持续姿态改变要求，有则跳转到步骤56，如此循环，直到水下机器人模型没有操纵指令需求，则完成空间操纵运动。

进一步地，所述步骤5中设计的用户自定义函数模块包括：舵模块、螺旋桨模块、AUV模块和流域模块，所述舵模块用于执行舵的偏转运动，产生力和力矩，记录舵力和力矩；所述螺旋桨模块用于执行螺旋桨运动，计算螺旋桨推力，记录螺旋桨推力；所述AUV模块则用于读入推力，舵力和力矩，计算阻力，求解6自由度运动方程，计算新的AUV速度，角速度，积分得到AUV的姿态角；所述流域模块读取AUV速度，让流域进行相应的平移运动。

还通过如下方法对载体空间六自由度自航操纵运动预报的数值精度进行验证：

1)载体，螺旋桨和舵的网格无关性验证；2)螺旋桨敞水试验验证；3)载体定常自航操纵运动的MFR(Multi-frame References,多参考系坐标法)验证；4)载体自航试验的试验验证；5)载体定向自航下潜的数值验证；6)载体改变纵倾角的自航下潜数值验证；7)螺旋桨旋转和舵偏转的下潜自航操纵模拟验证；8)载体空间6自由度自航操纵运动的预报。

在采集到上述数据后，进行非定常操纵运动数值模拟并对数值结果进行分析。具体地，采用有限体积法求解三维非定常不可压缩雷诺平均NS(Navier-Stokes)方程。空间离散采用基于压力方法，2阶精度。时间离散采用隐式离散法，外循环时间步长为定时间步长，每步时间为螺旋桨旋转1度对应的时间，内循环迭代20步。湍流模型为两方程SST k-w湍流模型。物面边界条件为无滑移条件。在进行非定常AUV自航数值模拟之前，采用定常收敛结果作为初始值进行迭代计算。

非定常计算在台式机中进行，台式机配置如下：i5-6400CPU@2.70GHz,2.70GHz,内存16.0GB。以4个处理器并行，采用网格自动分区加载在4个计算节点上，进行并行计算。初始计算后，需要间隔一段时间进行中断，分析网格变化特性以及流场的云图，载体受力状态，判断准确性，如果有误，要重新设置，进行计算。

采用本发明的方法对AUV由静止开始，在螺旋桨恒定转速作用下的自航下潜操纵运动进行数值模拟，获得如图8(a)(b)和图9(a)(b)的AUV受力和螺旋桨受力曲线图。图10(a)(b)为AUV的航速图。图11(a)～(d)为AUV瞬态速度云图。可见，载体纵向受力随着航速增加由小到大变化，渐趋于稳定。螺旋桨推力则由大到小变化，渐趋于稳定。速度由静止开始加速，最终趋于匀速状态。速度云图可见AUV尾迹随着速度增加而延长，螺旋桨尾涡强度减弱。

海洋或航天载体通常具有空间6自由度的复杂操纵运动，这些空间复杂运动具有多自由度耦合的非线性特性，采用类物理数值模拟方法对这些复杂操纵运动的精确预报，可以大大提高系统的安全操纵范围，可完全代替昂贵和危险性高的真实试验，实现全流程的CFD设计载体的目的。同时能详细显示载体各部件复杂运动的流场特征图，获得相互作用中任意瞬态场的各个物理量，包括速度场，压力场，矢量场，涡量场等。此外载体各部分的力也具有实时和瞬态特性，这将彻底改变航天或海洋载体的设计概念，有利于设计出性能更优的载体。同时整个设计周期大大缩短，费用大大减低，安全性大大提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立水下机器人6自由度操纵运动坐标系，其包括用于显示运动参数的大地坐标系和用于方便加载水下机器人配件受力的载体运动坐标系，基于大地坐标系下的运动参数构建对应的空间6自由度方程，6自由度包括载体的旋转运动和纵向运动，横移运动和垂向运动，所述载体的旋转运动包括横滚，纵倾和转首，其中，将载体的旋转运动，限制在载体坐标系中，将载体的纵向运动，横移运动和垂向运动，转移到大地坐标系中显示；

步骤2：通过实体建模软件建立三维1:1的设有分离螺旋桨和舵的水下机器人模型；

步骤3：将构筑完成的水下机器人模型导入网格划分软件中，建立适合水下机器人6自由度运动的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人6自由度运动所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接；

步骤4：建立水下机器人6自由度运动的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；

步骤5：通过流体分析软件组装所述水下机器人模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式和界面的运动形式；通过编写和设置模拟水下机器人6自由度运动过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人6自由度运动的过程。

2.根据权利要求1所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤5后还有步骤6，通过云图将记录的模拟水下机器人6自由度操纵运动过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人6自由度操纵运动过程中的受力、速度和压力场变化，再现水下机器人真实6自由度操纵运动的试验运动过程。

3.根据权利要求1所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤2中，建模的过程具体为：

依据载体尺寸和线型确定水下机器人载体模型，依据螺旋桨剖面形状和螺旋桨几何参数确定螺旋桨模型，依据舵剖面参数确定舵模型，利用SolidWorks软件或其他三维建模软件绘制和真实物体一致的数值模型，其中，螺旋桨在轴向与载体之间留有预设的缝隙，舵在载体周向留有预设的缝隙。

4.根据权利要求1所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤2中，将水下机器人空间运动所在流场划分为多个流场区域具体为将载体的局部旋转运动限制在包含载体坐标系的中心球域内，将大范围平移运动传递到外围的方形流域，具体包括：左右垂直域和前后垂直域，其中，左右垂直域包括：

C区域，其为水下机器人模型运动的主要影响流域，其包括CA区域和CB区域，其中，

CA区域，其包含水下机器人载体、螺旋桨和舵的球型流域，可以做任意方向的旋转运动；

CB区域，其作为旋转运动的中心球域和外围平移运动的方形域之间连接的过渡域；

L区域，其为C区域左侧的矩形区域；

R区域，其为C区域右侧的矩形区域；

S1区域，其为C区域、L区域、R区域上方的矩形区域；

S2区域，其为C区域、L区域、R区域下方的矩形区域；

S3区域，其为S1区域、L区域、S2区域左方的矩形区域；

S4区域，其为S1区域、R区域、S2区域右方的矩形区域；

前后垂直域包括：

S5区域，左右垂直域中各区域前方的矩形区域；

S6区域，左右垂直域中各区域后方的矩形区域；

第一界面，其为螺旋桨区域与水下机器人载体区域的交界面，当螺旋桨区域运动后，其随载体呈纵倾、横滚和转首以及纵荡、横荡和垂荡运动；

第二界面，其为水下机器人载体区域与CA区域的交界面，当载体区域运动后，其随载体作纵倾、横滚和转首以及纵荡、横荡和垂荡运动；

第三界面，CA和CB交界面，其随载体作纵荡、横荡和垂荡运动；

第四界面，为L区域与S3区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第五界面，其为L区域与CB区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第六界面，其为R区域与S4区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第七界面，其为R区域与CB区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡、横荡和垂荡运动；

第八界面，其为S1下界面，分别与L,CB,R交界，当载体区域运动后，此界面随载体运动，靠近S1区域的上界面的网格拉伸或压缩；

第九界面，其为S2的上界面，分为与L,CB,R交界，当载体区域运动后，此界面随载体运动，靠近S2区域的下界面的网格拉升或压缩；

第十界面，其为S5的右界面，分别与S1，CB和S2交界，当载体运动后，此界面随载体作横移运动，靠近S5左边界的网格压缩或拉升；

第十一界面，其为S6的左界面，分别与S1，CB和S2交界，当载体运动后，此界面随载体作横移运动，靠近S6的右边界的网格压缩或拉升。

5.根据权利要求4所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤4中，根据不同的流场区域设计不同类型的网格具体为：在中心CA区域内，AUV和舵表面采用结构网格绘制，螺旋桨表面非结构网格绘制，CA区域内的体网格为结构网格，CB区域采用结构网格绘制，其他外围流域S1～S6的网格全部为结构网格。

6.根据权利要求5所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤5中，不同的流场区域相应的区域运动形式具体为：

CA区域随载体作刚体旋转运动以及平移运动；CB区域做为过渡流域，不旋转，但是具有和AUV一致的平移运动；L区域和R区域具有纵荡、垂荡和横荡运动；S1区域和S2区域同时具有垂荡和横荡运动；S5和S6具有横荡运动；S3和S4静止。

7.根据权利要求1～6任一项所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤5具体包括如下步骤：

步骤51、水下机器人模型在初始时刻处于静止状态；

步骤52、通过对螺旋桨模型赋予预设的转速，其产生预设的推力；

步骤53、螺旋桨模型的推力传递给水下机器人模型，水下机器人模型在此推力下，结合当前的水下机器人模型速度，产生阻力，将阻力和推力的合力作用在水下机器人模型，求解水下机器人模型6自由度空间运动方程，获得水下机器人模型的新速度；

步骤54、水下机器人模型在此新的速度下运动；

步骤55、读取此新的速度后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，流域C以及外围流域，产生相应的流域运动，流场中对应的网格也需要更新，网格更新的条件是当网格压缩到指定网格尺寸的一定比例或拉伸超过指定网格尺寸的一定范围，就需要网格重新生成，新生成的网格需要从上一迭代步对应的网格中进行插值获得流场值；

步骤56、当水下机器人模型具有一定速度后，接收到旋转运动请求指令；

步骤57、水下机器人模型开始偏转尾部舵，根据水下机器人模型的姿态角，舵模型进行偏转，产生力和力矩；将此力和力矩传递给水下机器人模型，结合水下机器人模型的6自由度空间运动方程，求解获得水下机器人模型的角加速度，并进行计算，得到水下机器人模型的转向角；水下机器人模型在转向角的请求下，绕自己重心进行转向；

步骤58、将水下机器人模型的转向运动对应的速度分解，对应多个方向的平移速度分量，传递给外围流域，使流域产生外围的平移运动；

步骤59、将水下机器人模型的转向角传递给螺旋桨，求解螺旋桨模型旋转速度分量，同时将水下机器人模型的平移速度传递螺旋桨，则螺旋桨模型在新的平移速度和旋转速度下运动，产生新的推力和位移，并将推力传递给水下机器人模型；

步骤510、将水下机器人模型的转向角传递给舵，获得舵的偏转角速度分量，同时将水下机器人模型的平移速度传递给舵，在舵模型具有新的偏转角速度和平移速度，由此产生新的偏转力矩和力和位移，将舵力和力矩传递给水下机器人模型；

步骤511、将螺旋桨模型的推力，舵模型的力和力矩作用于水下机器人模型，求解水下机器人模型的6自由度方程，获得水下机器人模型相应的旋转运动，以及相应方向的平移运动；

步骤512、求解水下机器人模型的旋转姿态角；

步骤513、将水下机器人模型的平移运动传递给外围流域，外围流域作平移运动；根据水下机器人模型的姿态角，螺旋桨模型进行旋转速度分解，舵模型进行偏转速度分解，以使螺旋桨模型和舵模型跟随水下机器人模型运动，不偏离对应的旋转主对称轴；

步骤514、判断载体模型是否有持续姿态改变要求，有则跳转到步骤56，如此循环，直到水下机器人模型没有操纵指令需求，则完成空间操纵运动。

8.根据权利要求7所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤5中设计的用户自定义函数模块包括：舵模块、螺旋桨模块、AUV模块和流域模块，所述舵模块用于执行舵的偏转运动，产生力和力矩，记录舵力和力矩；所述螺旋桨模块用于执行螺旋桨运动，计算螺旋桨推力，记录螺旋桨推力；所述AUV模块则用于读入推力，舵力和力矩，计算阻力，求解6自由度运动方程，计算新的AUV速度，角速度，积分得到AUV的姿态角；所述流域模块读取AUV速度，让流域进行相应的平移运动。

9.根据权利要求7所述的水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，其特征在于，还通过如下方法对载体空间六自由度自航操纵运动预报的数值精度进行验证：

1)载体，螺旋桨和舵的网格无关性验证；2)螺旋桨敞水试验验证；3)载体定常自航操纵运动的MFR验证；4)载体自航试验的试验验证；5)载体定向自航下潜的数值验证；6)载体改变纵倾角的自航下潜数值验证；7)螺旋桨旋转和舵偏转的下潜自航操纵模拟验证；8)载体空间6自由度自航操纵运动的预报。