水下机器人单机构多姿态矢量推进机构方案与推进性能研究

Thrust vectoring technology with single manipulator and multidimensional attitude is a novel thrust vectoring method in autonomous underwater vehicle. In order to complete both the rotational transmission and attitude adjustment, the innovative designs for thrust vectoring manipulator on the basis of some novel limited-DOF parallel mechanisms and space gear train are proposed. Robust reliability design method based on information gap and convex model is proposed to dimensional synthesis of thrust vectoring mechanism. In order to reveal thrust vectoring principle, a new numerical method for solving the self-propulsion is proposed to solve the coupled equations between the fluid and thrust vectoring mechanism, and the mapping relationship between the kinematic parameters in thrust vectoring mechanism and thrust vectoring performances. To improve the pose tracking performance under complex marine environment, a kinds of multivariable nonlinear robust adaptive control strategy based on passivity theory are proposed. The project will provide several novel design concepts for the thrust vectoring mechanism of autonomous underwater vehicle, and also promotes the development of the future exploration of ocean resources and marine capture technology.

单机构多姿态矢量推进是水下机器人的新型推进方式。本项目以实现具有旋转运动传递和空间姿态调整双重功能的矢量推进技术为目标，开展基于空间轮系和少自由度并联机构的水下机器人单机构多姿态矢量推进机构方案创新设计；以提高单机构多姿态矢量推进性能为目标，提出基于信息沟和凸集模型的稳健可靠性设计方法，用于矢量推进机构的尺度综合；为了揭示单机构多姿态矢量推进机理，提出流体与推机机构间耦合运动方程的数值求解方法，建立矢量推进机构运动学参数与推进性能间的映射关系；为适应复杂海洋环境下位姿跟踪控制，提出基于无源性理论的多变量非线性鲁棒自适应控制策略。本项目的研究成果将为水下机器人推进方式提供新的设计理念，也将推动未来海洋资源勘探和海洋生物捕获等高新技术的发展.

单机构多姿态矢量推进技术是一种新兴的水下推进技术，能够提高机器人的运动灵活性和敏捷性，对于海洋资源勘探具有重要意义。. 创新设计了运动关系耦合的球面并联型矢量推进机构，并综合出了运动解耦的全方位偏转型矢量推进机构。提出了非自主航行条件下矢量推进水下机器人整体流场力的数值计算方法，构建了不同矢量推进偏摆角下水下机器人的非线性动力学模型，开发了以无量纲化的稳定性比例因子作为输入控制量的复数域扰动模型。提出了一种基于计算力矩控制器的动力学模型不确定项和标称项的自适应模糊分离控制策略，设计了一类位于输入轨迹端作为非线性滤波器的模糊逆轨迹补偿器。开发了单机构多姿态矢量推进水下机器人样机，并对水下机器人进行了水池试验和湖试试验。. 矢量推进机构的运动仿真结果证实了矢量推进运动的唯一性，驱动力矩变化的连续平稳性，机构运动灵活。自适应分离控制策略消除了海洋环境干扰对水下机器人的运动影响，解决了不确定参数条件下单机构多姿态矢量推进水下机器人的控制精度低问题，提高水下机器人的操纵稳定性。试验结果证实了，水下机器人直行时俯仰角和横滚角的变化幅度较小，偏航角误差较小，表现出较好的稳定性和航姿保持性；水平面回转运动的相对回转直径小，表现出较好的回转性能；Z形操纵试验的初转期比鳍舵导向方式短，表现出矢量推进方式较好的响应性能。水池试验和湖试试验证明了矢量推进方式提高了水下机器人的操纵性能。. 矢量推进机构在水平方向和竖直方向的偏摆角度均在-35°到35°之间。矢量推进水下机器人在水平面回转运动的最小相对回转直径约为2m，表现出较高的回转性能。Z形操纵试验的初转期约为6.5s，表现出矢量推进方式具有快速的航姿响应性。本课题将矢量推进机构应用于无鳍舵型水下机器人，使水下机器人的导向操纵装置和推进系统合二为一，实现水下机器人的单机构多姿态运动模式，提高了水下机器人的操纵性能。