拖曳式水下航行器系统六自由度运动特性仿真研究开题报告

1. 目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1.研究目的

随着当今社会人口膨胀，能源危机日益严重。陆地资源开采过度，已经难以满足未来人类生产生活的需要。而海洋作为占地球总面积71%的重要板块，蕴藏着大量的石油、矿产资源，必将成为未来人类发展的重要依赖。海洋资源开发也就得到了广泛的关注。但是由于海洋内部环境复杂危险，人类对于海洋的探索还十分有限。同时，中共十八大提出：“提高海洋资源开发能力，发展海洋经济，保护海洋生态环境建设海洋强国”。为了将人类从复杂危险的海洋环境下解放出来，拖曳式水下航行器系统实现了人们对水下设备的远程操控。增加了人类对深海开发的可能性，在各类海洋勘探活动中得到了广泛应用。

同时，水下拖曳系统在海洋学研究、海洋打捞救助、军事活动、海底铺设电缆、水下工业设施的使用维修、地质取样以及水下目标探测等方面具有广泛的应用。拖曳式水下航行器系统一般由拖曳船舶、拖缆和拖体组成。而拖曳式水下航行器属无人水下航行器，他能借助电缆输送能源，并且将有用的信息传回水面。其结构简单并且能以较高速度拖曳，因此受到了广泛的应用。在实际的海洋环境中，海洋环境的时刻变化干扰着水下拖曳系统的正常运行。海面的拖船以及拖缆上端时刻受到风浪、海流的影响。水下的拖缆以及航行器也受到海流、海水扰动等因素的影响。在实际工作中，拖曳母船、拖缆、拖曳体受到的流体作用力具有非线性的特点。任何一个部分的运动状态改变都会影响整个系统的运动状态。水面拖船、拖缆、拖体之间存在着十分复杂的相互作用。拖曳式水下航行器系统在作业中受到不确定因素的影响，会围绕平衡位置产生空间6个自由度上的不均匀运动^[5]。

1.2.研究的意义

不同的拖曳式水下航行器系统具有不同的要求。而为了满足他的使用要求，就必须了解其运动规律及其特性。对水下航行器拖曳系统的仿真研究可以预报各种机动条件下拖缆、拖曳体的运动响应和拖曳母船的运动状态改变。对于保证整个拖曳系统的高效运行和精准控制，具有十分重要的现实意义。在对水下航行器拖曳系统研究的过程中，可以通过准确的仿真运算预报拖曳系统的运动响应及规律，并探究各种因素对于拖缆运动的影响。海洋的环境干扰以及拖缆、拖船、拖体之间的相互作用构成了一个复杂的动态响应系统，而对它的研究对于了解拖曳系统，并且更好地对其进行控制，以及对保障拖曳系统的可靠性具有重要的意义和工程实用价值。

1.3.国内外研究现状

1.3.1. 海洋拖曳系统组成及工作原理研究分析

由于水下航行器拖曳系统的广泛应用，对于水下拖缆的运动特性研究也成了现代海洋技术的重要课题之一。越来越多的学者致力于精确预报拖缆运动的研究。现代的拖曳系统，为提高工作效率，需要准确掌握拖缆的空间位置信息。广泛采用主动控制系统实时调整拖缆、拖体的位置，使其稳定工作，最大限度保证系统的定位精度和工作效果。

由于拖缆、拖体、拖船之间存在复杂的相互作用，水面拖船很难保持稳定的运行状态，并且还会产生垂荡、纵摇、偏航等不规律运动。同时还会导致水下拖缆、拖体偏离预期位置，最终影响水下航行器工作效果。经过数十年的发展，众多学者在建立拖体水动力模型的基础上，运用PID、LQI、Fuzzy、logic等控制方法做了许多有益的尝试^[6]。一战期间，美国海军实验中心的Hayes设计了一个拖曳系统—拖曳式鳗鱼声呐系统。这是现代意义上拖曳系统的首次出现。而在随后的数十年内，拖曳系统得到了极大的发展。并且根据用途不同，形成了多种多样的拖曳系统^[6]。由早期无拖体的简单拖曳系统，到现在拖体内安装探测装置控制设备的拖曳系统，其功能越来越完善。能够执行复杂的海洋勘测任务。

1.3.2. 拖曳系统运动仿真研究现状及分析

在目前的拖曳式水下航行系统水动力学模型中，其中拖曳拖缆的方程一般忽略了缆绳中的剪力、弯曲、扭转。由于缆绳受到非线性的水动力载荷，要准确地描述他的水动力特性十分困难。目前建立的用来描述水下揽胜水动力特性的理论模型大概有四种：有限元法模型、有限拆分法模型、直接积分法模型、集中质量法模型。这其中集中质量法和有限元法在海洋拖曳系统中运用十分广泛，有限拆分法更适合计算大时间步长的计算情况。近年来，很多科学家开发了水下拖曳系统的水动力模型。Chapman（1984）提出一个模型来描述水下拖曳系统的动态行为，Koterayama（1988）开发了一个单电缆拖曳系统的三维模型，其中电缆的行为由集中质量法确定^[13]。

在对拖曳体模型的研究中，有些学者将拖曳体模型视为球状物体，其不具备姿态信息，误差较大。而为了准确描述拖曳体运动特性，一些学者采用刚体六自由度运动方程^[1]。在拖船、拖缆、拖体的耦合模型建立过程中，分别将船舶操纵性运动方程和拖曳体六自由度运动方程相结合。迄今最完整和常用于描述水下物体运动方程的当属Gertler and Hargen提出后并由Abkowitz改进的水下运载体六自由度运动方程。该方程由动能定理导出，已经广泛应用于水下运载体的水动力模拟^[2]。

2.设计任务、重点研究内容、技术方案及进度安排

2.1.设计任务

1. 了解现代海洋拖曳系统的基本概念、工作原理。研究海洋拖曳系统的各个组成部分；

2. 研究海洋拖曳船舶、拖缆、拖体的工作原理，确定海洋拖曳系统各部分之间的耦合作用；

3. 确定海洋拖曳系统中船舶、拖缆、拖体的数学模型，学习牛顿迭代、中心拆分、龙格库塔等数据处理方法；

4. 在Matlab中建立船舶拖缆运动的仿真模型，进行船舶直航、旋回拖曳实验验证模型的准确性、可行性。

2.2.设计需要重点解决的问题与技术方案

2.2.1. 重点解决的问题：

(1) 了解拖曳式水下航行器的组成和工作机理；

(2) 掌握牛顿迭代、中心拆分、龙格库塔等数据处理方法，利用matlab求解微分方程；

(3) 在matlab环境下通过编程建立拖缆模型、六自由度运动模型。

2.2.2. 技术方案

(1) 通过查阅国内外关于拖曳式水下航行器系统研究的资料，了解海洋拖曳系统的组成及运行原理。了解拖船、拖缆、拖体之间相互的耦合影响作用。；

(2) 通过查阅国内外相关资料，了解相关数据处理方法，利用matlab求解n个微分方程，学习龙格库塔，用于非线性常微分方程的解的隐式或显式迭代，求解高阶微分方程；

(3) 查阅相关资料，了解学习matlab编程方法学习利用matlab进行代码编写、基础调试以及求解运动学数学模型。在matlab环境下建立船舶拖缆运动仿真模型，学习利用matlab进行数值解析计算，进行船舶拖曳实验验证海洋拖曳系统运动模型的可行性。

3.进度安排

2020年2月21日至2020年6月 8日；其中前三周为毕业设计调查（实习），通过调查完成开题报告和文献综述报告，通过后进入实际设计阶段，最后一周为指导老师评阅及学生答辩。具体计划如下：

1-3周：查阅国内外文献，完成开题报告；

4-5周：翻译5000以上汉字的英文资料，翻译基本准确；

6周：了解拖曳式水下航行器系统的基本概念和运行机理；

7-8周：研究航行器系统，建立拖曳系统船舶、缆绳、拖体的数学模型；

9-10周：建立船舶拖带缆绳运动时的仿真模型，进行船舶直航、旋回拖曳实验；

11-12周：验证控制方法可行性；

13-14周：撰写毕业论文，准备毕业设计答辩。

4.参考文献

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