CN110321639A - 实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法 - Google Patents
实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110321639A CN110321639A CN201910604635.5A CN201910604635A CN110321639A CN 110321639 A CN110321639 A CN 110321639A CN 201910604635 A CN201910604635 A CN 201910604635A CN 110321639 A CN110321639 A CN 110321639A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- underwater robot
- region
- propeller
- dive
- degree
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
- G06F2119/06—Power analysis or power optimisation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Toys (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
本发明提供一种实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法。本发明方法包括：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜操纵运动坐标系；建立设有分离螺旋桨和舵的水下机器人模型；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四自由度垂直面自航下潜的流场拓扑结构；建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜运动的混合网格系统；通过流体分析软件组装所述水下机器人模型和网格模型，通过编写用户自定义函数模拟水下机器人四自由度垂直面自航下潜的过程。本发明能直接模拟螺旋桨旋转运动和舵翼偏转运动引起AUV自航下潜的复杂操纵运动响应过程。本发明对已有操纵运动的安全性进行评估，提高AUV作业的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及海上船舶、水下机器人、潜艇、鱼雷等的操纵运动响应分析和运动性能评估领域，尤其涉及一种实现水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles，AUV)四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法。
背景技术
海洋载体和空间飞行器的垂直面运动是必经的运动模式，精确有效的预报这种操纵运动有利于提高载体的垂直面安全操纵范围。对于工作于一定水深的海洋载体，载体需要从水面快速航行到指定水深，水深的变化将引起海水密度的变化，导致载体浮力变化，精确预报载体垂直下潜运动，不仅是载体安全下潜的需求，同时有利于减少垂直面下潜时间，延长载体的有效作业时间。对于空间飞行器的垂直面运动预报，有利于飞行器武器的精确分离和空间姿态的精确控制。
载体下潜运动形式包括空中无动力螺旋下潜和垂直面下潜两种。对于深水水下机器人，为了节省下潜能源，采用无动力下潜运动，载体呈现空间螺旋下潜运动。对于空间螺旋下潜运动，当前主要基于水动力系数的垂直面运动方程进行操纵预报，获得载体稳定下潜的纵倾角和下潜速度。对于垂直面下潜，则更具有可控性，它耦合了螺旋桨运动的下潜模式，即载体四自由度垂直面的下潜运动，包括横滚运动，纵倾运动，水平和垂向运动。现有技术中一般对载体三个自由度的垂直面运动进行预报，即纵倾，纵荡和垂荡，鲜有部分进行四个自由度的运动预报。现有技术主要基于载体垂直面操纵性方程，通过水动力系数进行预报。该方法通过模型试验，数值模拟，面元法等获得载体的水动力系数，通过拟合曲线获得载体的控制面作用力和螺旋桨推进力，并作用于载体上，在Matlab中的Simulink平台中或VC平台中实现离线的载体操纵运动预报，能获得载体宏观的运动参数，如速度，位移和姿态角变化。该方法具有一定的局限性，1)只能适合于以载体纵轴为主航行方向的运动，其他方向运动较小的垂直面运动形式；2)水动力系数具有局限性，只适合于试验对应的运动；3)无法获得载体的流场作用特征，无法探求物体运动响应的内在因素。
随着计算流体力学的软件发展和硬件技术如超级计算中心的出现，使得建立载体的全物理模型进行载体直接自航操纵运动变得可能。主要有动网格法和重叠网格法两种。现有技术中分别采用这两种方法对空中飞行器的无螺旋桨的载体分离运动进行仿真。包含螺旋桨的直接数值模拟，采用重叠网格法的较普遍。例如现有技术中对水面船舶的典型操纵运动，如z型操舵运动，回转运动进行直接数值模拟。但是重叠网格对应的网格数量大，通常需要在超级计算中心进行，计算节点多达500个，计算时长达1个月左右。而且由于重叠网格数量较大，导致计算收敛性差。当前还没有文献研究载体四自由度垂直面自航下潜的操纵运动预报。
数值模拟由螺旋桨产生的高速旋转运动，以及舵的偏转运动，由此产生推力和偏转力矩作用在载体上，使载体在这两种力和力矩的作用下产生纵倾运动，并同时产生水平和下潜运动。这种运动作用于流场，流场反作用于物体，螺旋桨和舵，产生连续作用与反作用的过程，使载体以一定的速度，姿态航行到一定深度。这种运动是非定常的，网格是动态时变的，其数值模拟最为复杂和耗时。这类数值模拟具有模型复杂，多个自由度耦合，高速局部运动与低速全局运动耦合，容易导致常规的动网格在网格移动过程中网格生成质量变差，网格畸变，导致计算停止，或者容易导致网格数量大大增加，使计算随着物体运动距离的增加而无法实现。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法。本发明采用的技术手段如下：
一种实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法，包括如下步骤：
步骤1：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜操纵运动坐标系，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；
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四自由度垂直面自航下潜的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人四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，四自由度垂直面的下潜运动，包括螺旋桨横滚运动，载体纵倾运动，水平和垂向运动；
步骤4：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜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四自由度垂直面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四自由度垂直面自航下潜的过程。
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四自由度垂直面自航下潜过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人四自由度垂直面自航下潜过程中的受力、速度和压力场变化，再现水下机器人真实四自由度垂直面自航下潜的试验运动过程。
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，将水下机器人自航下潜所在流场划分为多个流场区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：
水下机器人载体区域，其包含载体，舵和螺旋桨占据的区域；
螺旋桨区域，其包含螺旋桨和螺旋桨扰流场所占据的圆柱型区域；
C区域，其包含水下机器人、螺旋桨和舵占据的矩形区域；
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；
所述界面具体包括：
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，其呈纵倾、纵荡和垂荡运动；
第二界面，其为水下机器人载体区域与C区域的交界面，当载体区域运动后，其呈纵倾、纵荡和垂荡运动；
第三界面，其为L区域与S3区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第四界面，其为L区域与C区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第五界面，其为R区域与S4区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第六界面，其为R区域与C区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第七界面，其为S1上界面，此界面静止，当载体区域运动后，靠近C区域一侧的网格拉伸；
第八界面，其为S2下界面，此界面静止，当载体区域运动后，靠近C区域的网格压缩。
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：载体，舵为一个区域，表面为四边形网格，水下机器人和舵的扰动区域为六面体网格；螺旋桨表面为三角形网格；螺旋桨流域及其尾迹为四面体网格；C流域内的网格为非结构网格；L和R流域为结构网格；外围区域S1～S6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：
水下机器人载体区域由螺旋桨产生的推力、舵的偏转产生纵倾、纵荡和垂荡运动；
螺旋桨区域进行自转、纵倾、纵荡和垂荡运动；
C区域、L区域、R区域均产生纵荡和垂荡运动；
S1区域、S2区域均产生垂荡运动；
S3区域、S4区域、S5区域、S6区域均保持静止。
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、接收到下潜指令后，根据水下机器人模型的纵倾角速度，计算水下机器人模型的纵倾角；
步骤53、通过水下机器人模型的纵倾角计算螺旋桨模型的旋转速度以及其在大地坐标系下沿着水平和垂直方向的旋转角速度分量；同时，通过水下机器人模型的纵倾角计算水下机器人模型在大地坐标系下沿着水平和垂直方向的平移速度；
步骤54、通过对螺旋桨模型赋予旋转角速度和平移速度，其产生预设的推力T，将此时的推力T进行储存；
步骤55、螺旋桨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，结合当前的平移速度，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平移速度和角速度，将此时的阻力和新平移速度和角速度进行存储；
步骤56、读取新平移速度和角速度后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，相应的交界面也运动，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57，更新界面匹配，更新界面流动变量；
步骤58，判断载体是否有新的下潜使命，如果没有，则结束下潜运动，存储相应的如深度，速度，姿态的下潜数据；如果有，则重复步骤步骤52～步骤58，直到没有接收到下潜使命。
进一步地，还通过如下方法对载体四自由度垂直面自航操纵运动预报的数值精度进行验证：
1)水下机器人拖曳一个静止的螺旋桨作三自由度垂直面操纵运动，这种方法中螺旋桨静止，主要是验证垂直面运动这种动网格区域设置的正确性，同时将水下机器人的阻力与相同速度的拖曳阻力进行对比，验证动网格的精度；
2)水下机器人带旋转螺旋桨的强制自航下潜运动数值模拟，此时螺旋桨具有旋转运动，水下机器人具有纵倾，纵荡和垂荡运动，这种预先给定的运动模拟了水下机器人强制自航下潜运动，但是螺旋桨没有把推力传递给水下机器人，这部分验证横滚，纵倾，纵荡和垂荡运动四个自由度耦合的运动；
3)进行螺旋桨推进的载体下潜运动模拟，这在1)和2)的基础上，验证了用户自定义函数的准确性。
本发明具有以下优点：
本发明能直接模拟螺旋桨旋转运动和舵翼偏转运动引起AUV自航下潜的复杂操纵运动响应过程。利用本发明的方法，能获得AUV自航下潜运动过程中的受力，速度变化等实时瞬态的物理运动特征；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垂直面运动的最佳配置。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AUV 4自由度垂直面操纵运动的类物理数值模拟流程图。
图2为本发明AUV垂直面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AUV四自由度垂直面自航下潜运动的网格拓扑结构示意图。
图5为本发明AUV 4自由度垂直面下潜网格系统。其中，(a)为初始网格，(b)为AUV尾部网格放大图，(c)为C区域网格放大图，(d)为AUV首部网格放大图，e)为下潜终端网格，f)为桨舵网格放大图，g)为AUV带舵和桨三维网格图。
图6为本发明AUV四自由度垂直面自航下潜运动的UDF函数流程图。
图7为本发明不同时刻网格更新结果示意图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为对应时间0.1s、0.5s、3.0s、6.0s、6.2s、6.7s的网格图。
图8为本发明存储的AUV的阻力变化示意图。
图9为本发明存储的螺旋桨的推力变化示意图。
图10为本发明存储的AUV的总阻力和螺旋桨的总推力变化示意图。
图11为本发明实施例中不同时刻AUV下潜速度云图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应时间0.1s、0.5s、3.0s、6.0s、6.2s、6.7s的速度云图。
图12为本发明实施例中不同时刻AUV压力云图，其中，(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别对应时间0.1s、0.5s、3.0s、6.0s、6.2s、6.7s的压力云图。
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实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法，包括如下步骤：
步骤1：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜操纵运动坐标系，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；其中大地坐标系下的水平速度和垂向速度分别为Vξ,Vζ。载体的纵倾角以θ表示。载体坐标系中沿着Gx,Gy方向的速度分别为u,w。速度与载体纵轴Gx的夹角为攻角α，速度与大地坐标系水平轴Eξ夹角为速滑角χ。
步骤2：通过实体建模软件建立如图3(b)所示的三维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四自由度垂直面自航下潜的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人四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，四自由度垂直面的下潜运动，包括螺旋桨横滚运动，载体纵倾运动，水平和垂向运动,本实施例采用ANSYSICEM软件进行网格划分；
步骤4：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜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四自由度垂直面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四自由度垂直面自航下潜的过程,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四自由度垂直面自航下潜过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人四自由度垂直面自航下潜过程中的受力、速度和压力场变化，再现水下机器人真实四自由度垂直面自航下潜的试验运动过程。
根据AUV垂直面操纵运动的机理，即由螺旋桨高速旋转推进产生推力，由舵翼偏转产生力矩，使AUV具有纵倾运动，前进速度和下潜速度。因此在数值模拟中，需要螺旋桨进行旋转运动，舵翼进行偏转运动，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，如图3(a)所示，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。
所述步骤2中，将水下机器人自航下潜所在流场划分为多个流场区域具体包括左右垂直域和前后垂直域，如图4所示，其中，左右垂直域包括：
水下机器人载体区域，其包含载体，舵和螺旋桨占据的区域；
螺旋桨区域，其包含螺旋桨和螺旋桨扰流场所占据的圆柱型区域；
C区域，其包含水下机器人、螺旋桨和舵占据的矩形区域；
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；
所述界面具体包括：
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，其呈纵倾、纵荡和垂荡运动；
第二界面，其为水下机器人载体区域与C区域的交界面，当载体区域运动后，其呈纵倾、纵荡和垂荡运动；
第三界面，其为L区域与S3区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第四界面，其为L区域与C区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第五界面，其为R区域与S4区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第六界面，其为R区域与C区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第七界面，其为S1上界面，此界面静止，当载体区域运动后，靠近C区域一侧的网格拉伸；
第八界面，其为S2下界面，此界面静止，当载体区域运动后，靠近C区域的网格压缩。
AUV四自由度垂直面自航下潜运动包含两种运动，绕着载体坐标系Gxyz的局部运动，主要是螺旋桨绕着Gx轴的旋转运动，舵翼绕着舵杆(平行于Gy轴)的纵倾运动；绕着全局坐标系Eξηζ的全局运动：AUV携带螺旋桨和舵翼的全附体沿着Eξ的纵荡运动和沿着Eζ的垂荡运动。所述步骤4中，根据网格分区，结合结构网格具有很好的正交性，建立以结构网格为主的多块混合网格模型。所述根据不同的流场区域设计不同类型的网格具体为：如图5(d)所示，载体，舵为一个区域，表面为四边形网格，水下机器人和舵的扰动区域为六面体网格；如图5(b)所示，螺旋桨表面为三角形网格；螺旋桨流域及其尾迹为四面体网格；如图5(c)所示，C流域内的网格为非结构网格；L和R流域为结构网格；水下机器人模型的网格如图5(f)(g)所示。外围区域S1～S6为结构网格。不同区域之间用交界面连接，采用非一致连接。
如图5(a)所示，AUV下潜初始时刻，各个区域的网格特征如表1所示。AUV下潜运动结束时，网格总数如表2所示。随着如图5(e)所示的载体运动，区域L，S1网格数增加；区域R，S2网格数减小，AUV下潜到达终点时，总网格数减少了7％，如表2所示。
表1初始网格总数
| 区域 | 网格总数 | 网格类型 |
| AUV区域 | 269,320 | 六面体网格 |
| Propeller区域 | 652,586 | 四面体网格 |
| C区域 | 510,324 | 四面体网格 |
| L区域 | 12,168 | 六面体网格 |
| R区域 | 162,864 | 六面体网格 |
| S1区域 | 25,488 | 六面体网格 |
| S2区域 | 114,696 | 六面体网格 |
| S3区域 | 11,664 | 六面体网格 |
| S4区域 | 11,664 | 六面体网格 |
| S5区域 | 48,060 | 六面体网格 |
| S6区域 | 48,060 | 六面体网格 |
| 总计 | 1,597,574 |
表2终端网格总数
所述步骤5中，根据载体四自由度垂直面运动的趋势，将载体的运动延伸到区域的运动，可以减少扰动区域的网格畸变，提高数值求解精度和效率。此处定义运动区域的运动形式如表3所示。AUV区域产生纵倾运动，纵荡和垂荡运动(分别对应为大地坐标系Eξηζ沿着水平和垂直方向的平移速度Vξ,Vζ；)。螺旋桨区域产生绕载体坐标系Gx的旋转运动，并同时具有和AUV一致的纵倾运动，纵荡和垂荡运动；C区域，L区域和R区域具有纵荡和垂荡运动；S1和S2具有垂荡运动；S3，S4，S5，S6静止。
各个区域的交界面的运动形式如表4所示。界面1为螺旋桨与AUV的交界面，具有纵倾、纵荡和垂荡运动；界面2为AUV与C区域的交界面，具有纵倾、纵荡和垂荡运动；界面3为L区域与S3区域交界面，界面4为L区域与C区域交界面，界面5为R区域与S4区域交界面，界面6为R区域C区域交界面，这4个交界面产生纵荡和垂荡运动；界面7为S1的上界面，静止，靠近C区域一侧的网格拉伸；界面8为S2的下界面，靠近C区域的网格压缩。界面与界面的连接为非一致连接。
表3 AUV 4自由度垂直面下潜运动的区域运动
| 区域 | 运动形式 |
| AUV区域 | 纵倾、纵荡和垂荡 |
| 螺旋桨区域 | 自转、纵倾、纵荡和垂荡 |
| C区域 | 纵荡和垂荡 |
| L区域 | 纵荡和垂荡 |
| R区域 | 纵荡和垂荡 |
| S1区域 | 垂荡 |
| S2区域 | 垂荡 |
| S3区域 | 静止 |
| S4区域 | 静止 |
| S5区域 | 静止 |
| S6区域 | 静止 |
表4 AUV 4自由度垂直面下潜运动的界面运动形式
如图6所示，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、接收到下潜指令后，根据水下机器人模型的纵倾角速度q，计算水下机器人模型的纵倾角θ，
步骤53、根据水下机器人模型的纵倾角θ，计算螺旋桨的旋转速度ω＝2πn在大地坐标系Eξηζ沿着在水平和垂直方向的旋转角速度分量：ωξ＝ω×cos(θ),ωζ＝ω×sin(θ)；同时，根据水下机器人模型纵倾角θ,计算AUV在大地坐标系Eξηζ沿着水平和垂直方向的平移速度Vξ＝V×cos(θ),Vζ＝V×sin(θ)；其中速度和力的变量中1和2分别代表沿着Eξ,Eζ的两个分量，
步骤54、螺旋桨以转速ωξ,ωζ和平移速度Vξ,Vζ运动，计算螺旋桨推力Tξ,Tζ，存储到F1文件中；
步骤55、螺旋桨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，结合当前的平移速度Vξ,Vζ，产生阻力Rξ,Rζ，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平移速度和角速度，将此时的阻力和新平移速度和角速度进行存储,存储到文件F2中；
步骤56、读取新平移速度和角速度后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，相应的交界面也运动，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57，更新界面匹配，更新界面流动变量；
步骤58，判断载体是否有新的下潜使命，如果没有，则结束下潜运动，存储相应的如深度，速度，姿态的下潜数据；如果有，则重复步骤步骤52～步骤58，直到没有接收到下潜使命。
采用类物理的数值模拟方法进行载体四自由度垂直面自航操纵运动预报，其数值精度需要验证，在缺乏与此对应的试验结果的基础上，可以采用如下3个步骤由简单到复杂逐步验证：
1)水下机器人拖曳一个静止的螺旋桨作三自由度垂直面操纵运动，这种方法中螺旋桨静止，主要是验证垂直面运动这种动网格区域设置的正确性，同时将水下机器人的阻力与相同速度的拖曳阻力进行对比，验证动网格的精度；
2)水下机器人带旋转螺旋桨的强制自航下潜运动数值模拟，此时螺旋桨具有旋转运动，水下机器人具有纵倾，纵荡和垂荡运动，这种预先给定的运动模拟了水下机器人强制自航下潜运动，但是螺旋桨没有把推力传递给水下机器人，这部分验证横滚，纵倾，纵荡和垂荡运动四个自由度耦合的运动；
3)进行螺旋桨推进的载体下潜运动模拟，这在1)和2)的基础上，验证了用户自定义函数的准确性。这三部分分别对应的三种数值模拟，分别称为Sub1,Sub2,Sub3的数值模拟。其中Sub3是完全类物理的AUV四自由度自航下潜操纵运动模拟。
AUV四自由度垂直面操纵运动的模拟，由于采用了步骤4和步骤5的网格系统和动网格区域，使得类物理数值模拟能在普通的台式机中进行，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。下潜1个载体长度历时14-18天左右。由于AUV 4自由度垂直面操纵运动过程中，具有螺旋桨横滚运动，载体纵倾运动，纵荡和垂荡运动，这四个自由度耦合，同时要求AUV和螺旋桨的运动需要同步，尤其是纵倾运动，在数值求解过程中，常会因为两者运动不同步，导致螺旋桨脱离AUV对称轴，导致计算出错，无法进行。解决这种问题的办法是通过实时输出AUV和螺旋桨的纵倾角进行对比，然后在UDF程序中实现同步。
采用步骤4和5进行的AUV四自由度垂直面操纵运动的模拟，流场会实时更新，图7(a)～(f)给出随着时间的推移，6个典型时刻随着AUV运动引起的流场网格图。从图中可见AUV实现C区域内的纵倾运动，在外围大流域内实现纵荡和垂荡运动。
AUV四自由度垂直面自航下潜过程中的受力，如图8，图9和图10所示。相应的速度云图和压力云图如图11(a)～(g)和图12(a)～(f)所示。图8和图9中可见，当载体具有纵倾角变化时，阻力和推力出现较大幅度振荡；当载体纵倾角不变，定速定向下潜时，阻力和推力渐趋稳定，且近似相等。速度场中可见载体纵倾中，螺旋桨尾迹场出现扭曲现象，螺旋桨尾迹中有梢涡曳出。压力场中可见载体纵倾变化过程中，首尾压差作用区域显著变化，有抵抗纵倾运动的趋势。
针对载体垂直面的复杂运动过程，通过本发明的方法能实现载体实时的操纵运动响应预报，获得高精度的数值计算结果，此操纵响应是在线试验才能获得的，甚至能获得危险操纵下的载体运动响应，这是试验所不能提供的，大大增加了载体的垂直面有效操纵范围。
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 (8)
1.一种实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜操纵运动坐标系，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；
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四自由度垂直面自航下潜的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人四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，四自由度垂直面的下潜运动，包括螺旋桨横滚运动，载体纵倾运动，水平和垂向运动；
步骤4：建立水下机器人四自由度垂直面自航下潜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四自由度垂直面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四自由度垂直面自航下潜的过程。
2.根据权利要求1所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜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四自由度垂直面自航下潜过程中的数据信息进行直观化的展示，基于水下机器人四自由度垂直面自航下潜过程中的受力、速度和压力场变化，再现水下机器人真实四自由度垂直面自航下潜的试验运动过程。
3.根据权利要求1所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜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所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法，其特征在于，所述步骤2中，将水下机器人自航下潜所在流场划分为多个流场区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：
水下机器人载体区域，其包含载体，舵和螺旋桨占据的区域；
螺旋桨区域，其包含螺旋桨和螺旋桨扰流场所占据的圆柱型区域；
C区域，其包含水下机器人、螺旋桨和舵占据的矩形区域；
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；
所述界面具体包括：
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，其呈纵倾、纵荡和垂荡运动；
第二界面，其为水下机器人载体区域与C区域的交界面，当载体区域运动后，其呈纵倾、纵荡和垂荡运动；
第三界面，其为L区域与S3区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第四界面，其为L区域与C区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第五界面，其为R区域与S4区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第六界面，其为R区域与C区域交界面，当载体区域运动后，其呈纵荡和垂荡运动；
第七界面，其为S1上界面，此界面静止，当载体区域运动后，靠近C区域一侧的网格拉伸；
第八界面，其为S2下界面，此界面静止，当载体区域运动后，靠近C区域的网格压缩。
5.根据权利要求4所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜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：载体，舵为一个区域，表面为四边形网格，水下机器人和舵的扰动区域为六面体网格；螺旋桨表面为三角形网格；螺旋桨流域及其尾迹为四面体网格；C流域内的网格为非结构网格；L和R流域为结构网格；外围区域S1～S6为结构网格。
6.根据权利要求5所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜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：
水下机器人载体区域由螺旋桨产生的推力、舵的偏转产生纵倾、纵荡和垂荡运动；
螺旋桨区域进行自转、纵倾、纵荡和垂荡运动；
C区域、L区域、R区域均产生纵荡和垂荡运动；
S1区域、S2区域均产生垂荡运动；
S3区域、S4区域、S5区域、S6区域均保持静止。
7.根据权利要求1～6任一项所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜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、接收到下潜指令后，根据水下机器人模型的纵倾角速度，计算水下机器人模型的纵倾角；
步骤53、通过水下机器人模型的纵倾角计算螺旋桨模型的旋转速度以及其在大地坐标系下沿着水平和垂直方向的旋转角速度分量；同时，通过水下机器人模型的纵倾角计算水下机器人模型在大地坐标系下沿着水平和垂直方向的平移速度；
步骤54、通过对螺旋桨模型赋予旋转角速度和平移速度，其产生预设的推力T，将此时的推力T进行储存；
步骤55、螺旋桨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，结合当前的平移速度，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平移速度和角速度，将此时的阻力和新平移速度和角速度进行存储；
步骤56、读取新平移速度和角速度后，载体模型和螺旋桨模型根据此速度进行边界移动，相应的交界面也运动，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57，更新界面匹配，更新界面流动变量；
步骤58，判断载体是否有新的下潜使命，如果没有，则结束下潜运动，存储相应的如深度，速度，姿态的下潜数据；如果有，则重复步骤步骤52～步骤58，直到没有接收到下潜使命。
8.根据权利要求7所述的实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜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四自由度垂直面自航操纵运动预报的数值精度进行验证：
1)水下机器人拖曳一个静止的螺旋桨作三自由度垂直面操纵运动，这种方法中螺旋桨静止，主要是验证垂直面运动这种动网格区域设置的正确性，同时将水下机器人的阻力与相同速度的拖曳阻力进行对比，验证动网格的精度；
2)水下机器人带旋转螺旋桨的强制自航下潜运动数值模拟，此时螺旋桨具有旋转运动，水下机器人具有纵倾，纵荡和垂荡运动，这种预先给定的运动模拟了水下机器人强制自航下潜运动，但是螺旋桨没有把推力传递给水下机器人，这部分验证横滚，纵倾，纵荡和垂荡运动四个自由度耦合的运动；
3)进行螺旋桨推进的载体下潜运动模拟，这在1)和2)的基础上，验证了用户自定义函数的准确性。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910604635.5A CN110321639B (zh) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | 实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910604635.5A CN110321639B (zh) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | 实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110321639A true CN110321639A (zh) | 2019-10-11 |
| CN110321639B CN110321639B (zh) | 2022-09-16 |
Family
ID=68122812
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910604635.5A Active CN110321639B (zh) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | 实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110321639B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111862722A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-10-30 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种潜艇操纵运动示教系统 |
| CN116127611A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-05-16 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种水下航行器动态仿真方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160046358A1 (en) * | 2013-03-20 | 2016-02-18 | Seabed Geosolutions B.V. | Methods and underwater bases for using autonomous underwater vehicle for marine seismic surveys |
| CN108454808A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-08-28 | 中国船舶重工集团公司第七0研究所 | 一种多参数可调的无动力水下潜航器模型 |
| WO2018231273A1 (en) * | 2017-06-12 | 2018-12-20 | Seatrepid International, Llc | Multiple autonomous underwater vehicle system |
| CN109946976A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-06-28 | 东北大学 | 一种宽航速auv运动控制方法 |
-
2019
- 2019-07-05 CN CN201910604635.5A patent/CN110321639B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160046358A1 (en) * | 2013-03-20 | 2016-02-18 | Seabed Geosolutions B.V. | Methods and underwater bases for using autonomous underwater vehicle for marine seismic surveys |
| WO2018231273A1 (en) * | 2017-06-12 | 2018-12-20 | Seatrepid International, Llc | Multiple autonomous underwater vehicle system |
| CN108454808A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-08-28 | 中国船舶重工集团公司第七0研究所 | 一种多参数可调的无动力水下潜航器模型 |
| CN109946976A (zh) * | 2019-04-15 | 2019-06-28 | 东北大学 | 一种宽航速auv运动控制方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 宋保维等: "四旋翼碟形自主水下航行器运动方程建立与流体特性仿真研究", 《兵工学报》 * |
| 胡志强等: "基于随体坐标系的水下机器人水动力数值计算方法", 《科学通报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111862722A (zh) * | 2020-09-11 | 2020-10-30 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种潜艇操纵运动示教系统 |
| CN116127611A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-05-16 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种水下航行器动态仿真方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110321639B (zh) | 2022-09-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Computational fluid dynamics study of the motion stability of an autonomous underwater helicopter | |
| Skjetne et al. | A nonlinear ship manoeuvering model: Identification and adaptive control with experiments for a model ship | |
| Geisbert | Hydrodynamic modeling for autonomous underwater vehicles using computational and semi-empirical methods | |
| Alam et al. | Design optimization of an unmanned underwater vehicle using low-and high-fidelity models | |
| CN110298134A (zh) | 提高水下机器人自航对接瞬态运动预报的数值方法 | |
| CN106950974A (zh) | 欠驱动自主水下航行器的对三维路径进行理解及跟踪控制方法 | |
| CN110262526B (zh) | 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 | |
| CN113296507B (zh) | 一种基于时空解耦的多动力定位船舶协同编队控制方法 | |
| CN110989628A (zh) | 一种基于cfd的欠驱动水面船舶航向控制方法 | |
| CN105643626A (zh) | 一种基于双重判据的水下机器人推力优化分配方法 | |
| CN110321639A (zh) | 实现水下机器人四自由度垂直面自航下潜预报的类物理数值方法 | |
| CN112612290A (zh) | 一种考虑洋流的水下航行器三维多任务路径规划方法 | |
| CN114004015B (zh) | 一种基于ROS-Gazebo的无人艇建模与运动仿真方法 | |
| Aksenov et al. | Ship hull form design and optimization based on CFD | |
| CN113468658B (zh) | 一种风浪中船舶失速系数的直接计算方法 | |
| Suzuki et al. | A numerical study on unsteady flow around a mechanical pectoral fin | |
| Jansson | Hydrodynamic analysis and simulation of a tidal energy converter | |
| CN113934159A (zh) | 一种无人船可靠性测试环境模型构建方法 | |
| CN110738420A (zh) | 一种航行器自由面跨越过程中的附加质量求解方法 | |
| CN117610462B (zh) | 帆船操纵仿真方法、系统、应用及电子设备 | |
| Huang | A Parallel, Coupled Method of CFD and Overset Grid Solver for Simulating Ship Hydrodynamics | |
| Wang et al. | Research on UE4-based Visualization Simulation of Underwater Vehicle Polar Region Sailing | |
| Yu et al. | Study on Numerical Maneuverability Prediction Approach of Underwater Vehicles | |
| CN113505432B (zh) | 一种随机波浪中喷水推进三体船自航点直接计算方法 | |
| Gao et al. | Training Scene Construction and Motion Realization of Unmanned Craft based on Unreal Engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |