目錄 序 前言 第1章 緒論 1 1.1 水下機(jī)器人的應(yīng)用 1 1.1.1 海洋資源概述 1 1.1.2 海洋開(kāi)發(fā)的重要意義 4 1.1.3 水下機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域 5 1.2 水下機(jī)器人的概念及分類(lèi) 7 1.3 水下機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 8 1.4 水下機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù) 14 1.5 水下機(jī)器人未來(lái)發(fā)展展望 17 1.6 本書(shū)內(nèi)容 18 參考文獻(xiàn) 18 第2章 水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 20 2.1 水下機(jī)器人常用設(shè)計(jì)方法 20 2.2 水下機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 22 2.3 水下機(jī)器人的總體布局 31 2.3.1 水下機(jī)器人形體的選擇 32 2.3.2 推進(jìn)器的數(shù)量和布置 32 2.3.3 機(jī)械手、電視和照明裝置的布置 35 2.4 水下機(jī)器人的穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 36 2.4.1 浮體材料選擇 36 2.4.2 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng) 39 2.4.3 水下機(jī)器人各部分相對(duì)比重量的分析與確定 39 2.4.4 水下機(jī)器人重心與浮心計(jì)算 41 2.5 水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法 44 2.5.1 ANSYS有限元分析技術(shù) 44 2.5.2 CFD軟件分析技術(shù) 44 2.5.3 MATLAB/Simulink仿真技術(shù) 45 2.5.4 虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真技術(shù) 45 2.6 水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 46 2.6.1 AUV整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 46 2.6.2 基于有限元軟件的耐壓艙壁厚設(shè)計(jì) 53 2.6.3 AUV水動(dòng)力性能分析 59 參考文獻(xiàn) 73 第3章 水下機(jī)器人流線型設(shè)計(jì) 75 3.1 水下機(jī)器人殼體建模及其設(shè)計(jì) 75 3.1.1 水下航行器殼體線型設(shè)計(jì)理論 75 3.1.2 小型 AUV殼體線型設(shè)計(jì)原理 77 3.1.3 水下機(jī)器人力學(xué)特征及殼體主要設(shè)計(jì)原則 83 3.1.4 殼體外形建模方案 84 3.2 基于CFD的導(dǎo)流罩流線型設(shè)計(jì) 89 3.2.1 導(dǎo)流罩優(yōu)化設(shè)計(jì) 90 3.2.2 AUV流動(dòng)情況分析 103 3.3 基于功率流的流線型殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) 105 3.3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析概述 105 3.3.2 基于結(jié)構(gòu)聲強(qiáng)中單元薄膜力輸出參數(shù)的殼體優(yōu)化分析 106 3.3.3 AUV流線型殼體優(yōu)化分析 111 參考文獻(xiàn) 115 第4章 水下機(jī)器人能源與動(dòng)力 116 4.1 能源選擇及計(jì)算 116 4.1.1 能源選擇 116 4.1.2 蓄電池容量的計(jì)算 121 4.2 常用驅(qū)動(dòng)方式 122 4.3 推進(jìn)器動(dòng)力分析與計(jì)算 126 4.3.1 推進(jìn)器推力分析 126 4.3.2 推進(jìn)器推力計(jì)算 127 4.3.3 推進(jìn)功率計(jì)算 128 4.3.4 實(shí)現(xiàn)六自由度控制的多推進(jìn)器布置角度分析 129 4.4 水下機(jī)器人推力性能測(cè)試實(shí)例 132 參考文獻(xiàn) 134 第5章 水下機(jī)器人系統(tǒng)辨識(shí)方法研究 135 5.1 推進(jìn)器參數(shù)辨識(shí) 135 5.2 AUV水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí) 138 5.2.1 AUV水平面水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí) 138 5.2.2 AUV垂直面水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí) 144 5.3 基于遺傳算法的AUV水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí) 150 5.3.1 遺傳算法基本原理 150 5.3.2 Rastrigin函數(shù)GA優(yōu)化實(shí)例 155 5.3.3 遺傳算法辨識(shí)AUV水動(dòng)力參數(shù) 157 參考文獻(xiàn) 167 第6章 水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析 169 6.1 坐標(biāo)系和參數(shù)定義 169 6.2 不同坐標(biāo)系之間參數(shù)的轉(zhuǎn)換 170 6.2.1 位移矢量在不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 170 6.2.2 速度、加速度在不同坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換 171 6.3 水下機(jī)器人水平面和垂直面運(yùn)動(dòng) 172 6.3.1 水平面運(yùn)動(dòng) 172 6.3.2 垂直面運(yùn)動(dòng) 173 6.4 水下機(jī)器人在合力作用下的空間運(yùn)動(dòng)表達(dá)式 174 6.5 水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析 176 6.5.1 與速度相關(guān)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù) 177 6.5.2 與加速度相關(guān)的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù) 177 6.5.3 AUV 的黏性類(lèi)水動(dòng)力系數(shù) 178 6.6 水下機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)方程 181 6.6.1 水下機(jī)器人在水中受到的合外力 181 6.6.2 水下機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)方程建立 181 6.6.3 考慮海流作用時(shí)的水下機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)方程 184 參考文獻(xiàn) 184 第7章 底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 185 7.1 小型AUV及推進(jìn)器模型仿真與分析 185 7.1.1 AUV仿真模型建立 185 7.1.2 推進(jìn)器的電機(jī)控制策略 191 7.1.3 推進(jìn)器仿真模型 192 7.2 推進(jìn)器的人工免疫控制 196 7.2.1 人工免疫控制 196 7.2.2 推進(jìn)器免疫模型構(gòu)建與仿真分析 199 7.3 水下機(jī)器人空間姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 205 7.3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本概念 205 7.3.2 水下機(jī)器人空間姿態(tài)控制模型 206 7.3.3 姿態(tài)控制系統(tǒng)雙環(huán)滑�？刂坡傻脑O(shè)計(jì) 208 7.3.4 姿態(tài)控制系統(tǒng)建立與仿真 210 參考文獻(xiàn) 214 第8章 水下機(jī)器人虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì) 215 8.1 虛擬樣機(jī)幾何物理模型的建立 216 8.1.1 幾何模型的建立與ADAMS的導(dǎo)入 216 8.1.2 輸入輸出變量的定義 217 8.1.3 虛擬樣機(jī)水動(dòng)力設(shè)置 218 8.2 虛擬樣機(jī)控制模型 219 8.2.1 控制系統(tǒng)總述 219 8.2.2 虛擬樣機(jī)控制模型建立 221 8.3 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合仿真及結(jié)果分析 223 8.3.1 AUV的控制系統(tǒng)模型 224 8.3.2 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)聯(lián)合仿真 226 參考文獻(xiàn) 228 第9章 水下機(jī)器人軌跡跟蹤控制器與路徑規(guī)劃 230 9.1 水下機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)方程的簡(jiǎn)化與分解 230 9.1.1 非奇異終端滑�？刂� 231 9.1.2 PF問(wèn)題描述 233 9.2 控制器設(shè)計(jì) 234 9.2.1 巡航速度控制器的設(shè)計(jì) 235 9.2.2 位置控制器的設(shè)計(jì) 235 9.2.3 艏向角控制器的設(shè)計(jì) 236 9.3 軌跡跟蹤仿真分析 237 9.4 虛擬樣機(jī)系統(tǒng)全景綜合仿真 240 9.5 水下機(jī)器人路徑規(guī)劃 243 9.5.1 拐點(diǎn)速度和總能耗的計(jì)算方法 243 9.5.2 基于耗能最優(yōu)的改進(jìn)蟻群算法 247 9.5.3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析 249 參考文獻(xiàn) 252 第10章 基于人工側(cè)線系統(tǒng)的水下機(jī)器人感知研究 254 10.1 人工側(cè)線系統(tǒng)基本理論及現(xiàn)狀分析 254 10.2 基于人工側(cè)線系統(tǒng)的水下航行器流場(chǎng)感知研究 256 10.2.1 靜載體對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的感知 256 10.2.2 動(dòng)載體對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的感知 259 10.2.3 靜載體對(duì)障礙物參數(shù)的識(shí)別 261 10.2.4 基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的流場(chǎng)參數(shù)感知 264 10.3 基于人工側(cè)線系統(tǒng)的水下航行器姿態(tài)感知研究 266 10.3.1 人工側(cè)線系統(tǒng)載體的仿真建模 266 10.3.2 仿生盒子魚(yú)載體的設(shè)計(jì)制作及水槽實(shí)驗(yàn) 273 10.3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的數(shù)據(jù)處理 278 10.4 基于人工側(cè)線系統(tǒng)的水下航行器水下振源感知研究 281 10.4.1 偶極子振動(dòng)源定位的數(shù)學(xué)模型 281 10.4.2 偶極子振動(dòng)源運(yùn)動(dòng)參數(shù)的感知 283 10.4.3 移動(dòng)振動(dòng)源形態(tài)參數(shù)的感知 293 10.5 本章小結(jié) 295 參考文獻(xiàn) 296 附錄A 貝塞爾曲線算法 298 附錄B B樣條曲線生成算法 299 附錄C 求解X方向運(yùn)動(dòng)時(shí)所用的MATLAB函數(shù)程序 301 附錄D 外環(huán)滑�？刂破鱉ATLAB函數(shù)程序 302 附錄E 內(nèi)環(huán)滑模控制器MATLAB函數(shù)程序 304 附錄F 非奇異終端滑�？刂扑惴� 305 彩圖