矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真.pdf

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1、第47卷第2期天津大学学报(自然科学与工程技术版)、，o1．47No．22014年2月JournalofTianjinUniversity(ScienceandTechnology)Feb．2014【)0I：10．11784／tdxbz201205055矢量推进自主水下航行器动力学建模及仿真王玉，林秀桃，宋诗军，刘玉红，张宏伟，王树新(天津大学机械工程学院，天津300072)摘要：采用单矢量推进器进行航向控制的自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle，AUV)，与采用传统的鳍

2、舵进行航向控制的AUV相比，具有更好的低速操控性及定位精度．根据单矢量推进式AUV的特点，将AUV的推力视为螺旋桨转速及矢量推进器摆角的函数，运用Newton—Euler法建立了AUV的6自由度运动学模型和动力学模型，采用四阶五级龙格．库塔方法对单矢量推进式AUV动力学模型进行了求解，在Matlab环境下对其动力学行为进行了仿真预测，并通过水域试验验证了所建模型的正确性，为控制系统的设计奠定了基础．关键词：自主水下航行器；矢量推进器；动力学模型；仿真中图分类号：TH113．2文献标志码：A文章编号：049

3、3．2137(2014)02．0143．06DynamicModelingandSimulationofAutonomousUnderwaterVehiclewithVectoredThrusterWangYu，LinXiutao，SongShijun，LiuYuhong，ZhangHongwei，WangShuxin(SchoolofMechanicalEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China)Abstract：Comparedwiththeau

4、tonomousunderwatervehicle(AUV)equippedwithrudders，theAUVwithvectoredthrusterhasbe~ermaneuverabilityatlowvelocityandcanachievemoreprecisepositioning．Accordingtothecharac—teristicsoftheAUVwithsinglevectoredthruster，the6-DOFkinematicmodelanddynamicmodelofthe

5、AUVareestablishedusingNewton-Eulermethod．Inthedynamicmodel，thethrustforceisconsideredasafunctionoftherotationalspeedofthepropellerandthetiltangleofthevectoredthruster．DynamicbehavioroftheAUVwithsinglevectoredthrusterissimulatedusingfive—levelfour-orderRun

6、ge-KuttamethodinMatlab．Thedynamicmodel，whichlaysas~ongfoundationfordesigningofthecontrolsystem，isverifiedthroughphysicaltestsinlake．Keywords：autonomousunderwatervehicle；vectoredthruster；dynamicmodeling；simulation自主水下航行器(autonomousunderwatervehicle，量．因此只有单

7、个矢量推进器的AUV成为了一个研AUV)动力学行为模型对于预测其动力学行为特性究热点．及进行控制系统设计具有重要作用．对AUV力学建本文研究的AUV在其尾部安装一个矢量推进模的研究多针对螺旋桨和鳍舵组合式操控系统l1J．器进行推进和控制操作．由于没有鳍舵，其动力学模日本操纵性数学模型研究小组把航行器壳体、鳍舵和型与传统鳍舵式AUV动力学模型[1-6]不完全相螺旋桨所受到的水动力分开来考虑，提出了分离式水同．在鳍舵式AUV动力学模型中，推力只与螺旋桨动力数学模型，即MMG分离模型【2J．天津大学张宏转速有关

8、，为一常量；而在矢量推进式AUV中，推力伟[6】针对座底式AUV提出了基于多体系统动力学理不但与螺旋桨转速有关，还与矢量推进器的摆角有论的动力学建模方法．近年来，为增加AUV的机动关，为一变量．因此，矢量推进式AUV与传统的鳍舵性，学者们在矢量推进式AUV方面的研究也取得了式AUV相比，具有更好的低速操纵性_J⋯．针对这一较大的成果J．但大多采用多个矢量推进器来保证特点，笔者建立了适合于单矢量推进器的AUV动力AUV的多种运动