作为有效的水下测量传感器搭载平台,水下滑翔器(Underwater Glider,简称Glider)和水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)在海洋环境监测领域和海洋资源开发领域均有广阔的应用前景。但由于携带的能源有限,二者难以具备工作时间与机动性能的综合优势。为了实现能源效率与反应速度的良好结合,本文从概念上设计了一种混合型水下自航行器。该自航行器综合了上述两种不同功能的水下机器人的优势,根据不同的应用场合以及环境特性,可在四种工作模式下实现功能转换,本文将四种模式分别称为单纯Glider模式、单纯AUV模式、混合Glider模式、混合AUV模式。在单纯Glider模式下,混合型自航行器的滑翔时间长、能源利用率高、噪音低、可进行纵向剖面测量;而在单纯AUV模式下,则具有反应迅速、定位精度高、操纵性能优良等优点。在某些特殊情况下,需要用混合模式。混合型自航行器在四种模式下切换可以完成长时间大范围的纵向剖面测量、水平面的横向局部测量和目标附近的精细测量等多重任务。本文首先分析了水下滑翔器与水下自航行器的性能特点,并对其进行功能上的结合,设计出一种兼俱二者功能的新型水下航行器;并研究了混合型自航行器的初始设计思路、工作原理、系统组成结构及总体参数设计步骤。在设计过程中注意比较二者的异同以及结合措施。其次对兼俱浮力驱动系统、移动重物控制系统、方向舵、升降舵系统和螺旋桨推动系统的混合型自航行器进行数学模型的推导,得到了总动力学方程。并对混合AUV模式在低速下的最佳升阻比攻角、最佳升阻比航速、最小阻力航速等一系列优化参数进行了仿真。阐述了低速AUV增加移动重物的必要性。最后采用CFD方法模拟各附体对整体的影响,以支持第二章混合型水下自航行器总体设计的合理性。首先确定在一定条件下壳体、机翼等基本要素的设计方案,其次研究各个附体之间的相互影响。结果表明,混合型自航行器不仅综合了水下滑翔器与水下自航行器的优势,而且各个附体之间耦合较小,从而验证的方案的正确性。
