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1 绪论.............................................................1

1.1 研究意义 ........................................................1

1.2 AUV 介绍 ........................................................2

1.3 国内外 AUV 研究动态 ..............................................2

1.4 动态仿真研究现状 ................................................3

1.5 本文主要研究内容 ................................................4

2 AUV 总体设计和三维建模 ........................................6

2.1 形体的选择 ......................................................6

2.2 设计内容 ........................................................6

2.3 三维建模 ........................................................7

3 AUV 的动力学分析 ..............................................10

3.1 坐标系 .........................................................10

3.2 定义运动参数 ...................................................10

3.3 受力分析 .......................................................11

4 推进器动态仿真 ................................................16

4.1 ADAMS 仿真 .....................................................16

4.2 FLUENT 仿真 ....................................................20

4.2.1 理论基础.....................................................20

4.2.2 仿真前期准备.................................................21

4.2.3 FLUENT 数值模拟计算 ..........................................23

5 总结............................................................29

参考文献 .........................................................30

致谢 ..............................................................31

附图 ..............................................................32

1 绪论

1.1 研究意义

今天的人类正面临着人口、资源和环境三大难题。随着各国经济的飞速发展和世界

人口的不断增加，人类消耗的自然资源越来越多，陆地上的资源正日益减少。为了生存

和发展，人们必须寻找新的物质来源，海洋应当是首选。

海洋是一个巨大的资源宝库，开发蓝色国土，拓展生存和发展空间，“人类重返海

洋”将成为全球经济发展的大趋势。世界沿海国家和地区正在进入全面开发利用海洋的

新时期，美、俄、中、英、法、日、加拿大、韩、印度以及东盟诸国等 140 多个国家相

继制定海洋科技发展和海洋开发计划，采取具体措施加快抢占海洋科技的制高点，海洋

开发已成为全球产业进步的重要标志，海洋经济已成为全球经济发展的重要增长点。海

洋是强国之本。谁掌握了海洋，谁就掌握了经济发展的未来。没有强大的海洋科技事业，

没有强大的现代海洋经济，就不可能成为真正的经济强国。我国是海洋大国，但不是强

国，人均占有陆地面积和资源量都远远低于世界平均水平，研究开发利用海洋是顺应世

界海洋开发大潮。为了推动海洋经济持续快速的发展，科技部、国家计委、国家海洋局、

农业部联合推出了“科技兴海”计划。《中国海洋 21 世纪议程》把“科教兴海”作为海

洋经济可持续发展的重大意义的战略选择。海洋经济的开放性和带动性，强渗透力、宽

辐射，可以拓展新的经济增长空间，优化经济结构，建立开放型特色经济，促进我国更

快走向世界，对实现中华民族的伟大复兴具有重要政治经济意义。

21 世纪是人类向海洋进军的世纪。深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，

已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上激烈竞争的焦点之一。水下机器人作

为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间中

的作用。

然而水下机器人如果直接进行海试或湖试，则需要承担极大地风险，由此计算机仿

真应运而生。仿真系统提供一种有效的试验来检验系统和设计，这种试验可以为设计者、

使用者和购买者揭示和预测一些有价值的信息。仿真系统有助于使各系统和子系统之间

的协调。另外，仿真系统可以模拟各种场景，用于各种操作训练，节约实地训练的费用，

最大限度地降低训练风险。通过 ADAMS/MATLAB 建立仿真模型，可以实现对其控制路径

的模拟，降低试验风险。在海底工作的动力来源就是推进器，所以通过对推进器的流体

仿真，研究其所受的的阻力以及叶片周围流体所受的压力变化，对于 AUV 的运动控制的

精确性具有极大的指导意义。

1.2 AUV 介绍

当前水下机器人的种类很多，其中载人潜器、有缆潜器(ROVs)和自治水下机器人

(AUVs)是三类最重要的潜器，自治水下机器人 AUVs 是英语“自治水下潜器”(Autonomous

Underwater Vehicles)的缩写。

AUVs 不配备主缆和系缆，因此它又称为无人无缆水下机器人(Unmanned Untethered

Vechiles 缩写 UUVs)。这类水下机器人携带能源，依靠自身的自治能力来管理自己、控

制自己，以完成赋予它的使命，自治水下机器人也就因此得名。由于微电子技术、计算

机技术、人工智能技术、导航技术的飞速进展，再加上海洋工程和军事活动的需要，国

外产业界和军方再次对无缆水下机器人发生了兴趣。许多研究表明，无缆水下机器人是

一种非常适合于海底搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。与载人潜水

器相比较，它具有安全(无人)、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与 ROVs

相比，它具有活动范围大、潜水深度深、不怕电缆缠绕、可进入复杂结构中、不需要庞

大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点

]11][1[

。

1.3 国内外 AUV 研究动态

海洋机器人在过去几十年间为世界各国的海军、石油开发和救援打捞开辟了崭新的

活动领域。用这种高度计算机化、有的已开始了不需要人进行控制的机器人进行探索海

底，可提供关于海底的大量数据。当今世界各国的一些主要的海洋研究中心倾注很大的

精力正在研制或使用数十种可深潜的海底机器人。在技术方面，美国的水平领先于世界，

欧洲各国其次，而日本要落后于美国和欧洲。这些机器人的造价与载人潜水器相比，造

价低得多，但更加安全，而且可长时间在压力很大的海底工作。从上世纪 90 年代中期

以来，自主式水下航行器(AUV)在海洋科学调查以及军事领域得到越来越广泛的应用。

截止到 2005 年，世界上共研制了约 70 艘 AUV，AUV 已经多次成功地应用于海底石油与

天然气、天然气水合物、大洋多金属结核和热液硫化物矿床等海洋矿产资源的探测。AUV

的最新应用主要体现在水雷搜索，冰下探测以及水下作业中。

目前，美国在开发工作方面正朝着无缆预编程式(即自主式)海底机器人的方向发展。

在过去的 20 年里，全球各主要国家所研制的 AUV，其中美国占了一半。就其性能而言，

应数美国海军的水下搜索系统(AUSS)和新罕布什尔州大学的小型 AUV，即试验性的自主

式 EAVEEAST，主要用于水下管道和平台的检查。

美国 AUV 的研究和开发经费 90%来自国防部的财政支持，主要通过国防高技术研究

项目局(DARPA)和海军有关部门给予拨款。早在 1988 年，国防高技术研究项目局提出了

开发既像无人潜水器 UUV 那样自由浮游，又像登陆艇那样能离开水域进入内陆的两栖性

自主式机器人。美国海军控制和海洋监测中心于 1983 年推出了先进的自主式无人搜索

系统(AUSS)，本系统的外形尺寸为 510cm×75cm，有效负荷不定。系统用银锌电池作为

动力源，系统配置了侧扫声纳、前视声纳、35mm 静物照相机、CCD 水下摄像机。导航系

统由多普勒声纳、先进的精密陀螺仪和周期性更新的水声通道组成；水面母船借助 LBL

发射应答网执行跟踪任务。现在 AUSS 为第二代先进的作业型自主式海底机器人，潜航

深度 6000m，用于评价深海海底搜索技术和执行深海海底搜索作业使命。

近年来我国政府十分重视 AUV 的发展，投入了较大的人力和财力，在 20 世纪 90 年

代我国 AUV 的研制取得了重大突破，典型代表有“探索者”号 1000 米无人无缆遥控潜

水器和“CR-01A”6000 米无人无缆遥控潜水器。自主式无缆海底机器人是国家 863 高技

术发展计划支持项目，由中国科学院沈阳自动化研究所、声学研究所、中国船舶工业总

公司 702 所、哈尔滨工程大学、上海交通大学等单位联合设计研制的“探索者”号自主

式无缆海底机器人，是以大范围搜索、观察水下 1000m 或 6000m 失事目标为主要使命特

征的。

我国在军用 AUV 的研究中也取得了很好的成绩，研制出三型军用智能水下航行器。

其试验平台“智水 II 号”于 1995 年夏进行了湖试，在自主导航、自主避障和自主简单

作业等方面取得了成功的试验验证和宝贵的试验数据。

此外，北京航空航天大学目前正致力于仿生机器鱼的研究，已研制出多种形式的仿

生机器鱼，为水下航行器新型推进器技术和新型结构的研究，奠定了良好的基础

]2[

。

1.4 动态仿真研究现状

机械系统动力学仿真分析技术首次出现于 1980 年前后，作为一门新兴技术，它最

初被应用在汽车、铁路等领域中。Woongsang 等以提高汽车的稳定性和控制能力为目标，

进行汽车四轮定位系统研究。由于此前研究都是采用简化模型，使用二维结构或以自行

车代替，测得的数据很不可靠。后来随着分析手段的提高，动力学仿真分析技术开始大

量地应用于空间科学、石油、机器人等领域，NOEL 通过在动力学分析软件中建立、分析

和优化模型，得到了飞机起落架的动态性能。Arenz 等针对 goliath 移动机器人模型，

利用 ADAMS、ANSYS 和 MATLAB 三者联合进行了动力学分析，并针对 goliath 移动机器人

控制算法进行研究，然后在动力学仿真软件中加以检验。

随着水下机器人应用领域的不断的扩展，水下机器人正朝着复杂化、多功能化方向

发展。AUV 正是一个由多个系统组成的复杂大系统，它包括载体系统、通讯系统、导航

系统、传感器系统、声纳系统、能源系统、推进系统和智能控制系统

]3[

。这不仅增加了

AUV 各系统之间集成的难度，也使得 AUV 整体性能验证和评价成为一件困难的事情。由

于 AUV 的复杂性、智能控制的局限性和环境感知的低能，因此 AUV 可靠性、稳定性和自

主能力在没有得到确切的验证之前，对 AUV 进行海上实验是有很大的危险性。另一方面，

由于海洋环境复杂、危险，在海上进行水下实验，除了没有安全性之外，还有实验成本

高，周期长的缺点。因此，AUV 整体性能验证和评价已经成为 AUV 发展的瓶颈，而建立 AUV

实时仿真系统是解决这个瓶颈问题的有效途径。

控制系统仿真是控制技术人员在开发控制系统时所经常使用的。通常基于简化的被

控系统模型，构建控制系统，设计控制算法，然后利用仿真分析被控系统的性能（如导

弹的反应时间、跟踪精度等）

]12][4[

。

1.5 本文主要研究内容

借鉴国内外较为先进的 AUV，采用母型设计法，对其外形和部分机构进行改进，使

其在达到总体性能要求的同时，尽量减小其体积和降低生产成本。在用 SolidWorks 完

成三维造型设计之后，在 ADAMS 中进行仿真分析，建立简单的控制系统，然后在利用流

体仿真软件 FLUENT 对推进器进行流体分析，计算不同转速下推力情况，具体内容如下：

第一章绪论

本章论述了研究、开发、利用和保护海洋的重要性和迫切性，概述了水下航行器的

发展和应用状况，分析了国内外 AUV 的研究现状与趋势以及现阶段对动态仿真的研究，

明确了本文研究的任务、意义和主要内容。

第二章 AUV 总体设计和三维建模

本章主要是论述了 AUV 的总体设计及形体选择原则，根据二维图纸进行三维建模，

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