基于环境能源的水下机器人多尺度性能驱动设计方法和动态自适应网络构建技术

水下机器人对于海洋资源勘探、海洋环境监测和探测具有重要作用。本项目突破传统的水下机器人设计方法和理论，以从机群整体到单机多尺度的性能驱动为主线，综合运用现代设计方法，进行水下机器人的单机设计。并对设计完成的机器人机群进行自适应动态编队网络研究，以满足系统整体的任务目标性能要求。主要研究内容包括：（1）复杂任务目标描述与性能衡量指标获取；(2) 多尺度性能驱动设计方法研究；（3）海洋环境能源俘获机理和技术研究；(4) 基于海洋环境的水下机器人动态自适应网络研究。

典型复杂海洋装备水下机器人是国家实施海洋战略的技术保障之一，也是国家战略新兴产业发展的重要领域，对于海洋科学研究及国防建设具有重要作用。本项目以海洋装备设计为核心，从理论方法、关键技术、样机研制三个方面开展研究工作，提出以多体系统 (Multi-body system) – 多尺度(Multi-scale) – 多域场(Multi-physics field) 为基础的水下机器人3M设计理论框架，开发多尺度性能驱动数字化设计平台，为一般海洋机电装备设计提供了理论和技术支持。项目取得以下创新性研究成果：.（1）针对海洋任务多尺度特性与测量精度需求，提出水下机器人多尺度性能驱动设计方法。该方法基于任务尺度与技术尺度匹配原则，兼顾成本最低及效率最高原则，建立从多尺度海洋任务到水下机器人多体网络功能映射模型；基于性能驱动设计理论，按照功能特征分解机制，建立海洋任务多尺度性能驱动优化设计的体系结构，设计成功我国首台深海微结构湍流剖面测量机器人，首次获取南海海域1000米深度剖面毫米量级湍流数据，为一般海洋机电装备的设计提供了理论基础和技术支撑。.（2）针对复杂海洋环境的勘测任务，基于多体理论和人工势能场方法，建立水下机器多体网络系统模型，实现水下机器人多体编队系统的运动规划与协同控制，仿真验证多质点模型编队系统的轨迹规划和多刚体模型编队系统的方位同步，并利用能量方法分析了旋转刚体编队系统的稳定性。水下机器人多体网络模型的建立，为实现长时续、大尺度海洋勘测任务提供了有效手段。.（3）针对水下机器人海洋环境及其声学测量特征，构建了流–固–声多域场耦合的数值仿真方法与平台，探究具有刚性壁面结构的振动、流场、声场耦合传递机制，揭示了刚性结构流致振动的机理及刚性壁面结构流噪声的产生机理与涡声关系，阐明了刚体流致振动的特性及不同结构流噪声的辐射特性，建立了测量精度与结构设计参数映射关系，设计出我国首台大型深水勘查自治式水下航行器，成功获得宽水域地形地貌勘测图。.（4）针对海洋能源利用需求，研究海洋温差能特性及其俘获机理，开发了海洋温差能动力转换装置，研制成功我国首台温差能水下滑翔机并成功湖试。研究成果对于水下机器人能源动力系统设计，实现取之自然用于自然的能源利用理念具有重要理论指导意义。