[发明专利]一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法

说明书

本发明提供一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法。本发明包括：建立水下机器人6自由度操纵运动坐标系，构建对应的空间6自由度方程，建立水下机器人模型，通过网格划分软件建立流场拓扑结构和混合网格系统，通过流体分析软件组装水下机器人模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式和界面的运动形式；通过编写和设置模拟水下机器人6自由度运动过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人6自由度运动的过程。本发明能获得水下机器人运动过程中的受力，速度变化等实时瞬态的物理运动；通过状态云图再现载体复杂操纵运动过程的内在物理作用机理；有利于对安全性进行评估，提高AUV作业的可靠性。

技术领域

本发明涉及船舶、水下机器人、潜艇、鱼雷等海洋载体和航空载体的操纵运动响应分析和运动性能评估领域，尤其涉及一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法。

背景技术

当前主要基于传统的潜艇操纵性方程进行载体空间6自由度操纵运动预报。它是基于水动力系数的一种模型。这种方法首先通过载体的拖曳试验，平面机构或悬臂水池等试验，采用面元法，或者采用数值模拟方法拟合得到载体的水动力系数，然后在matlab的simulink或VC平台进行基于系数模型的仿真，获得载体的操纵运动预报。这种方法是无载体实物模型的一种方法，受限于水动力系数，受限于水动力系数获得所对应的试验的运动，无法对任意运动进行数值仿真；同时仿真结果只能给出载体的宏观受力、运动和轨迹，无法获得载体各个部件的耦合效应；无法获得详细的流场特征，无法反映复杂操纵运动的内在物理规律。

而基于载体自航操纵运动的类物理数值模拟则弥补了基于水动力系数的载体操纵性方程的不足。当前最新的技术已经可以实现基于重叠网格法的载体4自由度的定常运动仿真，比如载体的zigzag操纵运动仿真，包含载体的推进器旋转运动，舵翼的偏转运动，以及载体三个自由度的运动：纵荡，横荡和转首运动；载体的回转运动模拟，则包含载体的4个自由度运动的模拟：纵荡，横荡，转首和横滚运动；以及载体的随浪运动，则包含纵倾，垂荡和纵荡三个自由度的运动。此外，也有采用动网格技术实现载体的自航操纵仿真运动，包括横滚运动，纵荡两个自由度运动。现有技术还不能实现载体空间6自由度自航操纵运动的类物理数值模拟。这主要受限于载体6自由度运动的各自由度高度耦合性，导致网格构建复杂，网格运动困难。复杂的网格运动容易导致网格畸变，导致计算失败。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法。本发明采用的技术手段如下：

一种水下机器人空间6自由度自航操纵预报的类物理数值方法，包括如下步骤：

步骤1：建立水下机器人6自由度操纵运动坐标系，其包括用于显示运动参数的大地坐标系和用于方便加载水下机器人配件受力的载体运动坐标系，基于大地坐标系下的运动参数构建对应的空间6自由度方程，6自由度包括载体的旋转运动和纵向运动，横移运动和垂向运动，所述载体的旋转运动包括横滚，纵倾和转首，其中，将载体的旋转运动，限制在载体坐标系中，将载体的纵向运动，横移运动和垂向运动，转移到大地坐标系中显示；

步骤2：通过实体建模软件建立三维1:1的设有分离螺旋桨和舵的水下机器人模型；

步骤3：将构筑完成的水下机器人模型导入网格划分软件中，建立适合水下机器人6自由度运动的流场拓扑结构，具体地，将水下机器人6自由度运动所在流场划分为多个流场区域，不同流场区域之间用不同的界面连接；

步骤4：建立水下机器人6自由度运动的混合网格系统，具体地，根据不同的流场区域设计不同类型的网格，得到网格模型；

步骤5：通过流体分析软件组装所述水下机器人模型和网格模型，定义各流场区域的运动形式和界面的运动形式；通过编写和设置模拟水下机器人6自由度运动过程的用户自定义函数，模拟螺旋桨高速旋转运动，进而模拟水下机器人6自由度运动的过程。