五自由度水下作业机器人结构设计与水动力学研究

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受自身机能和科学技术的限制,人类对海洋的了解和利用长期以来进展缓慢。目前陆地资源日益枯竭,开发海洋的需求变得越来越迫切。借助水下机器人技术的快速发展,人类社会发展迈向海洋的步伐正在加快。有缆遥控水下机器人ROV作为水下机器人中重要的一种类型,以其特有的优势,正越来越贴近人们日常的生产和生活。小型化、便携化ROV因其更适合近海、港口、湖泊、水库等自然水体中使用,成为ROV应用的一大趋势。本文研究的是一种可以搭载作业和观察设备的小型ROV浮游移动平台,按照模块化设计的思想,对ROV系统进行控制系统设计、结构设计、仿真分析和水动力学性能研究。通过试验测试推进器的推进力和ROV样机的各项性能,进而验证设计方案。本文主要研究的内容包括以下几个方面:首先,本文介绍了国内外ROV类型水下机器人的相关技术研究及其进展。通过结合本课题中作业环境和性能指标的相关要求,完成了ROV方案的研究和设计,进而确定了六推进器五自由度的推进器布置方案。并在此基础上设计了各部分结构,如耐压控制盒、推进器、照明灯、浮块等。其次,为满足ROV水下载体的运动性能指标,对所设计的ROV外形进行了CFD仿真和流线型优化。通过对比优化前后的ROV水下载体水阻力,得出了各平移自由度的水阻力特性和极大预报值。通过分析流场中ROV脐带缆的水动力特性,得出了脐带缆在极限流场条件下的水阻力预报值。根据导管螺旋桨、喷水推进器的设计思路和方法,结合ROV水下载体和脐带缆的水阻力分析,设计了一种满足设计指标的泵喷推进器,确定了推进器电机的型号、桨叶的各种尺寸参数。最后,按照设计方案完成样机的制作。通过搭建试验平台,进一步测试样机推进器的性能。该试验包括单个推进器的正反向推进力试验和多推进器相互干扰条件下的正反向推进力试验,从而验证了样机推进器的可行性。并且在自然水体和试验水池中,分别测试ROV系统的性能,从而验证了样机系统性能满足各项指标要求。
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