AUV兩自由度并聯(lián)矢量推進(jìn)器設(shè)計與研究.pdf

1、自主式水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle，AUV）作為一種高效的傳感器搭載平臺，已經(jīng)成為海洋勘察裝備的主要發(fā)展方向。隨著海洋技術(shù)的發(fā)展和勘察范圍的增加，水下勘查工作的復(fù)雜度和危險性以及對 AUV性能的要求日益提升，因此良好的操縱性和機(jī)構(gòu)可靠性對于拓展 AUV的探測任務(wù)范圍和提高水下生存能力至關(guān)重要。傳統(tǒng)舵面式推進(jìn)操縱系統(tǒng)雖然在航速相對較高的條件下能保持很好的轉(zhuǎn)向效果，但在低航速時操舵效率會急劇下降甚至

2、失效。而使用矢量推進(jìn)器則能通過直接改變推進(jìn)力的方向大幅度提高 AUV的操縱性。尤其在低速航行的情況下，能夠使AUV獲得足夠的機(jī)動性以適應(yīng)水下勘查工作的需要。
　　此外，在AUV中廣泛使用的矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)多為單一電機(jī)控制單一自由度的機(jī)構(gòu)，即串聯(lián)機(jī)構(gòu)。相比并聯(lián)機(jī)構(gòu)，串聯(lián)機(jī)構(gòu)本身存在機(jī)構(gòu)剛度差、承載能力較低、難以避免大體積箱體類零件運(yùn)用等問題。為了避免上述問題，本文將并聯(lián)機(jī)構(gòu)引入AUV矢量推進(jìn)器中，以一款兩自由度并聯(lián)球面機(jī)構(gòu)為主體加以相應(yīng)

3、改進(jìn)完成矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計以及相關(guān)計算。
　　首先，論文提出了并聯(lián)矢量推進(jìn)的構(gòu)型。在原有三桿球面機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上將主推電機(jī)從動平臺移動到機(jī)架上，增加了傳動支鏈將主推電機(jī)的轉(zhuǎn)動傳遞到螺旋槳軸系中，減小了機(jī)構(gòu)的慣量以及作動電機(jī)的負(fù)荷，進(jìn)一步優(yōu)化了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性。
　　在機(jī)構(gòu)初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計并確定了并聯(lián)矢量推進(jìn)器的主體尺寸。并對其進(jìn)行構(gòu)型分析，求出了推進(jìn)器末端處于運(yùn)動空間不同位置時作動桿桿長變化的情況。對并聯(lián)機(jī)構(gòu)做了運(yùn)動學(xué)分析和求

4、解。
　　然后，通過虛功原理和運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果對并聯(lián)矢量推進(jìn)機(jī)構(gòu)做了動力學(xué)分析，求出了作動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩隨機(jī)構(gòu)末端運(yùn)動情況變化的情況，得到了機(jī)構(gòu)的剛體混合動力學(xué)方程。并在混合動力學(xué)方程的基礎(chǔ)上假設(shè)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動的極端情況。在此情況下求得了做動電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，完成了電機(jī)的選型。
　　最后，本文對傳動支鏈進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，包括萬向節(jié)的選取、支鏈的構(gòu)型等。并在選定萬向節(jié)和相應(yīng)支鏈的構(gòu)型后對其進(jìn)行了有限元分析與校核。最后，完成了機(jī)構(gòu)的細(xì)化