自主式水下机器人节能路径规划研究

【摘要】：随着人类社会的发展，人们对能源的需求也越来越大，但是陆地上的油气资源越来越少，于是人们将目光投向了广阔的海洋，在海底蕴含着大量的油气资源以及可燃冰等能源。但是海洋环境比陆地环境要复杂百倍，人类对海洋的认识还很有限，在这种情况下，水下智能机器人的应用就被各国的研究人员推到了世界海洋海底环境探测的舞台上。智能水下机器人可以通过携带温度传感器、盐度传感器、声纳等探测仪器对海洋环境数据和海底地形数据进行采集，以便提供给有关研究人员对海底资源进行勘探、海上钻井、铺设海底管道以及对海底管道进行维护和修理。其中，无缆的自主式水下机器人因为具有更远更深的探测范围，因此它被广泛应用在对海底地形地貌的探测中，这种机器人一般采用蓄电池供电，一次充电后只能够运行有限的时间，为此怎样使其在携带能量不变的情况下，能够保证对海底地形有效地覆盖搜索扫描的同时更加节省能量以便完成更多任务的问题成为人们研究的热点。 本文针对如何在路径规划中实现节能主要展开了以下三方面研究工作： 首先，论文参照现有的AUV尺寸建立了一个长度为4m，直径为1m的回转体模型，并利用Gambit软件建模和网格划分，在Fluent软件中计算直航纵向总阻力值，并对计算结果做出了分析，得出了两种节能途径：一种是考虑到AUV速度越大阻力越大的实际情况，提出了设定节能航速的方式，来满足一定时间要求下，减少消耗在推进方面的能量；第二种途径则是本文的重点，通过对AUV路径的规划实现能够维持一定地形覆盖率的前提下使AUV航程缩短和转向次数减少，此即节能路径规划。 其次，论文针对节能路径规划，对一定海底区域实现全覆盖扫描的要求下，针对传统锯齿形搜索方式下遗漏区域定义了隐性大海湾及其进入点、出口点和门户的概念，在传统的锯齿形搜索方式下对路径规划进行了改进，实现了一定区域内航程的缩短和转向次数的减少。 最后，假定了某一海底区域海流流速和流向分布，借鉴全局规划中的栅格法思想对海流和AUV航迹进行了网格划分，并从直航耗能、转向耗能和电器设备耗能三个方面对改进后路径规划方式和传统路径规划下的耗能进行了比较。 【关键词】：自主式水下机器人 节能 路径规划 计算流体力学
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 论文的研究背景与意义11-13
• 1.2 国内外水下机器人发展现状及趋势13-16
• 1.2.1 AUV 发展状况13-16
• 1.2.2 AUV 发展趋势16
• 1.3 路径规划研究现状以及节能路径规划的两种途径16-20
• 1.3.1 全局路径规划现状简介16-18
• 1.3.2 局部路径规划研究现状18-19
• 1.3.3 节能路径规划途径19-20
• 1.4 论文主要研究内容20-23
• 第2章 基于 FLUENT 的无附体 AUV 纵向总阻力值计算23-37
• 2.1 CFD 方法简介23-27
• 2.1.1 湍流控制方程23-24
• 2.1.2 数值计算湍流模型24-26
• 2.1.3 近壁面处理26-27
• 2.2 利用 GAMBIT 建立 AUV 计算模型27-29
• 2.2.1 设定 AUV 模型控制域27-28
• 2.2.2 网格的划分28-29
• 2.2.3 设置边界条件29
• 2.3 基于 FLUENT 数值计算潜器的阻力值及阻力系数29-32
• 2.3.1 FLUENT 软件数值求解原理29-30
• 2.3.2 总阻力值的求解30
• 2.3.3 AUV 阻力数据分析30-32
• 2.4 计算 AUV 节能航速32-35
• 2.4.1 电器设备耗能32-33
• 2.4.2 动力设备耗能33-34
• 2.4.3 总能耗及节能航速34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 节能路径规划37-57
• 3.1 模型的建立37-43
• 3.1.1 搜索空间单元37-38
• 3.1.2 简化海底地形38-40
• 3.1.3 海角和海湾40-43
• 3.2 隐性大海湾43-49
• 3.2.1 搜索原则44-45
• 3.2.2 确定隐性大海湾进入点45-48
• 3.2.3 确定隐性大海湾中的小海湾和门户48
• 3.2.4 退出隐性大海湾48
• 3.2.5 大海湾搜索过程48-49
• 3.3 二维地形下的 AUV 路径规划49-53
• 3.4 二维地形下的 AUV 航程53-54
• 3.5 本章小结54-57
• 第4章 流场内的 AUV 耗能计算57-73
• 4.1 海流57-60
• 4.1.1 海流分类57-59
• 4.1.2 海岸对海流的影响59-60
• 4.2 区域海流离散化60-61
• 4.3 航迹离散化61-65
• 4.3.1 传统路径规划下的航迹离散化61-63
• 4.3.2 改进路径规划后的航迹离散化63-65
• 4.4 直航耗能计算65-66
• 4.4.1 传统路径规划下的直航耗能计算65-66
• 4.4.2 改进路径规划后的直航耗能计算66
• 4.5 转向耗能估算66-68
• 4.5.1 传统路径规划下的转向耗能计算67
• 4.5.2 改进路径规划后的转向耗能计算67-68
• 4.6 用电设备耗能计算68-70
• 4.6.1 传统路径规划下的电器设备耗能计算68-69
• 4.6.2 改进路径规划后的电器设备耗能计算69-70
• 4.7 本章小结70-73
• 结论73-75
• 参考文献75-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果79-81
• 致谢81

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