随着海洋开发利用进程的不断加快,无人无缆自治式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)技术得到迅速发展,利用AUV进行水下探测和水下作业逐渐受到了人们的重视。伴随着AUV广泛应用的同时,AUV也暴露出了一些问题:AUV因自身携带的能源有限,难以满足高续航能力和长时间作业的要求;AUV的布放与回收依赖水面船只的支持,对于深海、远海作业的AUV,需要耗费大量人力、物力和财力,在海况较差的时候回收AUV会带来很大的风险。如何提高AUV持续执行任务的能力、避免回收过程不必要的风险及降低布放与回收成本,对AUV研究者提出了新的挑战。AUV水下对接技术是实现AUV水下能源补充和水下回收的关键技术,研究AUV水下对接技术具有重要的研究意义和实际应用价值。本文作者查阅国内外AUV水下对接技术研究现状,分析归纳AUV水下对接的方式和各自的特点,总结AUV水下对接涉及的关键技术。本文以“自治式潜器搭载对接技术研究”项目为背景,针对在初始设计阶段没有考虑到的问题进行改进和完善。本文作者通过参加AUV水下对接海上试验,发现AUV在海试对接过程存在严重的碰撞问题,本文对AUV水下对接碰撞问题进行仿真与实验研究。本文针对在初始设计阶段没有考虑到的问题,改进和完善以前研制的水下对接基站。为了清晰描述问题,本文首先简要阐述以前研制的水下对接基站系统;针对对接基站的两套锁紧机构运动同步性差的问题,进行改进研究和实验验证;针对姿态调节机构在海试期间出现的破坏问题,进行改进研究;针对之前设计的液压系统的电机启动控制方式存在的问题进行完善。针对AUV和对接基站对接时存在的碰撞问题,进行碰撞机理的分析,分析接触体之间的约束关系。目前对于碰撞问题的处理方法主要有恢复系数法和等效弹簧阻尼法,为了分析本文的碰撞问题,对这两种方法的机理和特点进行研究,并将这两种方法运用于AUV水下对接碰撞问题分析中,分析AUV对接碰撞时相关碰撞参数和碰撞后接触体的运动规律。为了减小冲击碰撞,本文提出以下三种缓冲措施:通过改变接触体的运动状态;通过在接触体上增加缓冲装置来吸收碰撞时的冲击;通过改进接触体的结构形式。由于碰撞理论分析无法得到一些碰撞参数(如碰撞力)确切的大小,为了进一步分析碰撞问题,本文采用目前处理碰撞问题最为理想的虚拟样机仿真软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)对AUV对接碰撞过程进行仿真分析。通过建立仿真模型、添加约束、施加载荷和合理确定仿真参数,对系统进行仿真分析,分析AUV在对接碰撞时产生的碰撞力的大小及碰撞前后AUV运动状态的变化规律。为了分析影响AUV水下对接碰撞的因素,本文分析各影响参数对AUV对接碰撞的影响规律。为了进一步研究AUV水下对接碰撞问题,验证理论分析和仿真分析的结果,本文进行AUV水下对接碰撞实验研究。本文首先对实验方案进行分析,依据实验方案对AUV进行改造,并设计对接基站,满足对接碰撞实验的需求。本文进行AUV和对接基站的水池实验,一方面检测对接碰撞过程的接触碰撞力,另一方面通过改变实验参数变量,研究AUV对接速度、AUV碰撞角度等变量对AUV对接碰撞的影响。
