●序
前言
章緒論1
1.1水下機器人的應用1
1.1.1海洋資源概述1
1.1.2海洋開發的重要意義4
1.1.3水下機器人應用領域5
1.2水下機器人的概念及分類7
1.3水下機器人發展現狀8
1.4水下機器人關鍵技術14
1.5水下機器人未來發展展望17
1.6本書內容18
參考文獻18
第2章水下機器人結構設計20
2.1水下機器人常用設計方法20
2.2水下機器人的繫統結構22
2.3水下機器人的總體布局31
2.3.1水下機器人形體的選擇32
2.3.2推進器的數量和布置32
2.3.3機械手、電視和照明裝置的布置35
2.4水下機器人的穩定性設計36
2.4.1浮體材料選擇36
2.4.2浮力調節繫統39
2.4.3水下機器人各部分相對比重量的分析與確定39
2.4.4水下機器人重心與浮心計算41
2.5水下機器人結構現代設計方法44
2.5.1ANSY分析技術44
2.5.2CFD軟件分析技術44
2.5.3MATLAB/Simulink仿真技術45
2.5.4虛擬樣機聯合仿真技術45
2.6水下機器人結構設計案例46
2.6.1AUV整體結構方案設計46
2.6.2基軟件的耐壓艙壁厚設計53
2.6.3AUV水動力性能分析59
參考文獻73
第3章水下機器人流線型設計75
3.1水下機器人殼體建模及其設計75
3.1.1水下航行器殼體線型設計理論75
3.1.2小型AUV殼體線型設計原理77
3.1.3水下機器人力學特征及殼體主要設計原則83
3.1.4殼體外形建模方案84
3.2基於CFD的導流罩流線型設計89
3.2.1導流罩優化設計90
3.2.2AUV流動情況分析103
3.3基於功率流的流線型殼體優化設計技術105
3.3.1結構優化分析概述105
3.3.2基於結構聲薄膜力輸出參數的殼體優化分析106
3.3.3AUV流線型殼體優化分析111
參考文獻115
第4章水下機器人能源與動力116
4.1能源選擇及計算116
4.1.1能源選擇116
4.1.2蓄電池容量的計算121
4.2常用驅動方式122
4.3推進器動力分析與計算126
4.3.1推進器推力分析126
4.3.2推進器推力計算127
4.3.3推進功率計算128
4.3.4實現六自由度控制的多推進器布置角度分析129
4.4水下機器人推力性能測試實例132
參考文獻134
第5章水下機器人繫統辨識方法研究135
5.1推進器參數辨識135
5.2AUV水動力參數辨識138
5.2.1AUV水平面水動力參數辨識138
5.2.2AUV垂直面水動力參數辨識144
5.3基於遺傳算法的AUV水動力參數辨識150
5.3.1遺傳算法基本原理150
5.3.2Rastrigin函數GA優化實例155
5.3.3遺傳算法辨識AUV水動力參數157
參考文獻167
第6章水下機器人運動分析169
6.1坐標繫和參數定義169
6.2不同坐標繫之間參數的轉換170
6.2.1位移矢量在不同坐標繫之間的轉換170
6.2.2速度、加速度在不同坐標繫之間的轉換171
6.3水下機器人水平面和垂直面運動172
6.3.1水平面運動172
6.3.2垂直面運動173
6.4水下機器人在合力作用下的空間運動表達式174
6.5水下機器人動力學分析176
6.5.1與速度相關的水動力導數177
6.5.2與加速度相關的水動力導數177
6.5.3AUV的黏性類水動力繫數178
6.6水下機器人的空間運動方程181
6.6.1水下機器人在水中受到的合外力181
6.6.2水下機器人空間運動方程建立181
6.6.3考慮海流作用時的水下機器人空間運動方程184
參考文獻184
第7章底層控制繫統設計185
7.1小型AUV及推進器模型仿真與分析185
7.1.1AUV仿真模型建立185
7.1.2推進器的電機控制策略191
7.1.3推進器仿真模型192
7.2推進器的人工免疫控制196
7.2.1人工免疫控制196
7.2.2推進器免疫模型構建與仿真分析199
7.3水下機器人空間姿態控制繫統設計205
7.3.1滑模變結構控制的基本概念205
7.3.2水下機器人空間姿態控制模型206
7.3.3姿態控制繫統雙環滑模控制律的設計208
7.3.4姿態控制繫統建立與仿真210
參考文獻214
第8章水下機器人虛擬樣機控制繫統仿真設計215
8.1虛擬樣機幾何物理模型的建立216
8.1.1幾何模型的建立與ADAMS的導入216
8.1.2輸入輸出變量的定義217
8.1.3虛擬樣機水動力設置218
8.2虛擬樣機控制模型219
8.2.1控制繫統總述219
8.2.2虛擬樣機控制模型建立221
8.3虛擬樣機繫統聯合仿真及結果分析223
8.3.1AUV的控制繫統模型224
8.3.2虛擬樣機繫統聯合仿真226
參考文獻228
第9章水下機器人軌跡跟蹤控制器與路徑規劃230
9.1水下機器人空間運動方程的簡化與分解230
9.1.1非奇異終端滑模控制231
9.1.2PF問題描述233
9.2控制器設計234
9.2.1巡航速度控制器的設計235
9.2.2位置控制器的設計235
9.2.3艏向角控制器的設計236
9.3軌跡跟蹤仿真分析237
9.4虛擬樣機繫統全景綜合仿真240
9.5水下機器人路徑規劃243
9.5.1拐點速度和總能耗的計算方法243
9.5.2基於耗能最優的改進蟻群算法247
9.5.3仿真實驗及分析249
參考文獻252
0章基於人工側線繫統的水下機器人感知研究254
10.1人工側線繫統基本理論及現狀分析254
10.2基於人工側線繫統的水下航行器流場感知研究256
10.2.1靜載體對流場參數的感知256
10.2.2動載體對流場參數的感知259
10.2.3靜載體對障礙物參數的識別261
10.2.4基於機器學習算法的流場參數感知264
10.3基於人工側線繫統的水下航行器姿態感知研究266
10.3.1人工側線繫統載體的仿真建模266
10.3.2仿生盒子魚載體的設計制作及水槽實驗273
10.3.3基於神經網絡算法的數據處理278
10.4基於人工側線繫統的水下航行器水下振源感知研究281
10.4.1偶極子振動源定位的數學模型281
10.4.2偶極子振動源運動參數的感知283
10.4.3移動振動源形態參數的感知293
10.5本章小結295
參考文獻296
附錄A貝塞爾曲線算法298
附錄BB樣條曲線生成算法299
附錄C求解X方向運動時所用的MATLAB函數程序301
附錄D外環滑模控制器MATLAB函數程序302
附錄E內環滑模控制器MATLAB函數程序304
附錄F非奇異終端滑模控制算法305
彩圖
內容簡介
本書繫統地論述了水下機器人設計與分析的基本原理、方法和技術,介紹了FLUENT、MATLAB/Simulink,ANSYS、ADAMS等現代設計分析軟件在水下機器人設計中的應用,並以作者及研究團隊的科研成果為主線,繫統地闡述了水下機器人設計與分析方法。全書共十章,包括水下機器人結構及流線型設計、能源與動力、繫統辨識方法、運動分析、底層控制繫統、虛擬樣機技術、路徑規劃與軌跡跟蹤、仿生側線感知及局域導航定位方法等方面的內容。本書即可作為髙等院校、科研院所從事水下機器人研究工作科研人員的參考書,也可作為海洋工程、機械工程等相關專業本科生、研究生的參考教材,亦可為從事水下機器人設計及分析的工程技術人員提供借鋻。