[发明专利]一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法

说明书

本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法。包括UVMS系统循环水槽试验和CFD数值模拟。UVMS循环水槽试验包括：使用平面运动机构测量UVMS系统保持不同机械手姿态在流场中的受力；使用CFD方法复现水槽试验，验证CFD方法的准确性。本发明应用CFD软件对UVMS机械手水下运动过程进行数值模拟，并拟合获取水下机械手的水动力系数。能够在UVMS系统设计初期代替部分复杂、高昂的水池试验，针对所设计机械手对UVMS系统受力、力矩的扰动作用进行定性、定量分析，获取机械手基于切片理论的水动力系数，进而建立较为准确的水下机械手水动力模型，为UVMS系统的进一步优化设计和运动仿真提供参考。

技术领域：

本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种水下机器人和机械手系统抓取运动过程的水动力分析方法。

背景技术：

目前，水下机器人在水下探测和作业等方面得到了越来越广泛的研究和应用。虽然水下机器人的遥控作业已经广泛用于水下搜救、科学考察、水下工程的支持等多个方面。但遥控作业不仅需要专业的母船支持，而且工作范围受到了脐带缆的限制，尤其是机器人载体加上机械手的十几个自由度的同时遥控作业使得遥控作业异常复杂。而对于UVMS自主作业，必须掌握其在机械手抓取作业过程中的水动力响应，分析水动力过程，才能够实现机器人在运动中抓取。

对水下机器人的水动力分析主要包含平面运动机构试验分析和CFD数值模拟两种方法，由于试验条件限制难以使用传感器对手艇耦合运动过程中艇体和机械手的受力、力矩进行测量。虽然国内外应用软件进行潜水器水动力计算的研究很多，但原理和方法各有不同：深海作业型ROV水动力试验及运动控制研究(上海交通大学博士学位论文)，Modelingof a Complex-Shaped Underwater Vehicle for Robust Control Scheme(Journal ofIntelligent and Robotic Systems)(复杂外形潜水器鲁棒控制方案(智能与机器人系统期刊))，CFX数值模拟低速双尾船阻力计算的应用和研究(中国水运-理论版)、基于FLUENT软件的小水线面双体船粘性流数值模拟(武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2004年2月),基于CFD的船舶阻力性能综合研究(上海交通大学博士学位论文)，影响船舶CFD模拟的因素分析与三体船阻力计算改进探讨(哈尔滨工程大学博士学位论文)，三维数值水池及船舶操纵性水动力数值计算(大连海事大学博士学位论文),基于CFD软件的数字船模平面运动机构实验方法(CN200810064057.2)等。深海作业型ROV水动力试验及运动控制研究(上海交通大学博士学位论文)所讨论的主要是开架式ROV使用平面运动机构水动力试验方法，不涉及CFD数值模拟方法，研究对象限于不带机械手的ROV。Modeling of a Complex-ShapedUnderwater Vehicle for Robust Control Scheme(Journal of Intelligent andRobotic Systems)(复杂外形潜水器鲁棒控制方案(智能与机器人系统期刊))着重讨论外形复杂的开架式ROV使用CFD软件FLUENT模拟平面运动机构水动力试验方法，使用了动网格技术，但研究对象限于不带机械手的ROV。CFX数值模拟低速双尾船阻力计算的应用和研究(中国水运-理论版)讨论了使用CFX软件数值模拟低速双尾船阻力，研究对象为双尾水面船舶，且不涉及动网格、重叠网格技术，仅对阻力进行了研究。基于FLUENT软件的小水线面双体船粘性流数值模拟(武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2004年2月)，基于CFD的船舶阻力性能综合研究(上海交通大学博士学位论文)，影响船舶CFD模拟的因素分析与三体船阻力计算改进探讨(哈尔滨工程大学博士学位论文)，三维数值水池及船舶操纵性水动力数值计算(大连海事大学博士学位论文)讨论了使用FLUENT软件对单体、三体船进行阻力预报，研究对象和方法均与本发明不同。基于CFD软件的数字船模平面运动机构实验方法(CN200810064057.2)讨论了使用FLUENT软件对潜水器进行平面运动机构试验数值模拟，使用了动网格技术并提出了使用MATLAB软件的数据处理方法以获取若干水动力系数。本发明研究对象为UVMS系统，使用重叠网格技术令机械手自由运动，使用CFD软件STAR-CCM+模拟UVMS系统水下抓取运动过程，并通过拟合的方法获取机械手的水动力系数。与上述论文、专利中使用CFD软件预报潜水器阻力、水动力系数的研究均不相同。