中图分类号： TP242 密级： 公开 U D C: 本校编号： 蔺州克通大警 硕士学位论文 论文题目： 水下仿生滑翔机器人 机构设计及水动力学分析 研究生姓名：王琦山 学号： 0212307 学校指导教师姓名：高溥/李宗刚 职称： 教授/教授 申请学位等级： 工学硕士学位 专业：机械制造及其自动化 论文提交日期： 2015.04 论文答辩日期：2015.06 万方数据
中图分类号： TP242 密 级： 公开 U D C： 本校编号： 硕 士 学 位 论 文 论文题目： 水下仿生滑翔机器人 机构设计及水动力学分析 研究生姓名： 王琦山 学号： 0212307 学校指导教师姓名： 高溥/李宗刚 职称： 教授/教授 申请学位等级： 工学硕士学位 专业： 机械制造及其自动化 论文提交日期： 2015.04 论文答辩日期： 2015.06 万方数据
硕士学位论文 水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 The mechanism Design and hydrodynamic analyze of an Underwater Robotic Glider 作者姓名： 王琦山 学科、专业： 机械制造及其自动化 研究方向： 智能仿生机器人 学 号： 0212307 指导教师： 高溥/李宗刚 完成日期： 2015.03 兰州交通大学 Lanzhou Jiaotong University 万方数据
硕 士 学 位 论 文 水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 The mechanism Design and hydrodynamic analyze of an Underwater Robotic Glider 作 者 姓 名： 王琦山 学科、 专业： 机械制造及其自动化 研 究 方 向： 智能仿生机器人 学 号 ： 0212307 指 导 教 师： 高溥/李宗刚 完 成 日 期： 2015.03 兰 州 交 通 大 学 Lanzhou Jiaotong University 万方数据
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含获得兰州交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解兰州交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月日 签字日期： 年月 日 万方数据
独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含获得 兰州交通大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 兰州交通大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 万方数据
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兰州交通大学硕士学位论文 摘 要 水下仿生滑翔机器人是一种新型的水下机器人，它将水下滑翔器和仿生机器鱼的优 势特征结合在一起，使得仿生滑翔机器人不仅能够在水下长时间航行，还可以提高机动 性与定位精度，这些特点使得水下仿生滑翔器在河流和湖泊等环境的水质监测、水下柱 形区域取样等领域具有广泛的应用前景。 本文设计了一种具有仿生尾鳍的水下滑翔机器人，该机构通过内部质量块的平移、 旋转、仿生尾鳍的偏置以及外部皮囊的伸缩等可实现小半径三维螺旋运动和定常滑翔运 动。在此基础上，利用流体力学理论，建立了所设计水下仿生滑翔机器人的水动力学模 型，得到了其稳态螺旋方程和定常滑翔运动方程。进而对仿生滑翔机器人三维螺旋运动 进行了分析，给出了俯仰调节机构质心位置、尾鳍角、横滚调节机构质心旋转角与转弯 半径和垂直速度之间的关系，以及每种稳态螺旋运动所对应的输出变量初值的取值范 围：同时对其定常滑翔运动进行了分析，给出了俯仰调节机构质心位置，壳体重心位置、 净浮力质量与航速和俯仰角之间的关系。本文创新点主要包括： 1.完成了水下仿生滑翔机器人机构设计。该滑翔机器人不仅可以通过仿生尾鳍驱 动，也可通过浮力调节装置实现滑翔推进，还可以实现二者混合推进。 2.建立了水下仿生滑翔机器人的水动力学建模。推导了地面坐标系、体坐标系和速 度坐标系相互之间的转换矩阵，然后依据转换矩阵推导了仿生滑翔机器人的运动学方 程，并通过分析仿生滑翔机器人所受力和力矩得到了仿生滑翔机器人的水动力学方程。 3.分析了水下仿生滑翔机器人的动力学行为。利用所得仿生滑翔机器人水动力学模 型，分析并给出了其三维螺旋运动和定常滑翔运动的性能指标以及实现条件。 关键词：水下仿生滑翔机器人；机构设计；水动力学模型；运动行为仿真 论文类型：应用基础研究 -I- 万方数据
兰州交通大学硕士学位论文 - I - 摘 要 水下仿生滑翔机器人是一种新型的水下机器人，它将水下滑翔器和仿生机器鱼的优 势特征结合在一起，使得仿生滑翔机器人不仅能够在水下长时间航行，还可以提高机动 性与定位精度，这些特点使得水下仿生滑翔器在河流和湖泊等环境的水质监测、水下柱 形区域取样等领域具有广泛的应用前景。 本文设计了一种具有仿生尾鳍的水下滑翔机器人，该机构通过内部质量块的平移、 旋转、仿生尾鳍的偏置以及外部皮囊的伸缩等可实现小半径三维螺旋运动和定常滑翔运 动。在此基础上，利用流体力学理论，建立了所设计水下仿生滑翔机器人的水动力学模 型，得到了其稳态螺旋方程和定常滑翔运动方程。进而对仿生滑翔机器人三维螺旋运动 进行了分析，给出了俯仰调节机构质心位置、尾鳍角、横滚调节机构质心旋转角与转弯 半径和垂直速度之间的关系，以及每种稳态螺旋运动所对应的输出变量初值的取值范 围；同时对其定常滑翔运动进行了分析，给出了俯仰调节机构质心位置，壳体重心位置、 净浮力质量与航速和俯仰角之间的关系。本文创新点主要包括： 1. 完成了水下仿生滑翔机器人机构设计。该滑翔机器人不仅可以通过仿生尾鳍驱 动，也可通过浮力调节装置实现滑翔推进，还可以实现二者混合推进。 2. 建立了水下仿生滑翔机器人的水动力学建模。推导了地面坐标系、体坐标系和速 度坐标系相互之间的转换矩阵，然后依据转换矩阵推导了仿生滑翔机器人的运动学方 程，并通过分析仿生滑翔机器人所受力和力矩得到了仿生滑翔机器人的水动力学方程。 3. 分析了水下仿生滑翔机器人的动力学行为。利用所得仿生滑翔机器人水动力学模 型，分析并给出了其三维螺旋运动和定常滑翔运动的性能指标以及实现条件。 关键词：水下仿生滑翔机器人；机构设计；水动力学模型；运动行为仿真 论文类型：应用基础研究 万方数据
水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 Abstract As a new kind of underwater robot,underwater biomimetic glider combines the advantages of robotic fish and glider together,which makes it not only can swim for a long time but also can increase its maneuverability and location accuracy.These characteristic makes the application of underwater biomimetic glider in the field such as water quality monitoring of rivers and lakes,sampling of underwater cylindrical region,etc.. This dissertation proposed a new biomimetic glider with a caudal fin,which can realized the spiraling motion with small radius and steady gliding motion by the translating and rotating of internal mass,expanding and contracting of external leather bag,and offsetting of caudal fin.On this basis,the hydrodynamic model is established for the proposed biomimetic glider and the equations of steady spiraling motion and steady gliding motion of it also is obtained by employing the fluid mechanics theory.Then,by analyzing spiraling motion,the relations are given between the turning radius vertical speed and the parameters including the centroid position of pitching adjustment mechanism,offset angle of caudal fin,and centroid rotation angle of rolling adjustment mechanism.Meanwhile,the ranges of original values of the six output variables,which correspond to each of steady spiraling motion,are also obtained.The analyze of steady gliding motion reveals the relations between the input parameters including the movable mass displacements,the location of non-uniform stationary mass and net buoyancy and the output variables including the swimming speed and pitch angle.The following contributions have been made. 1.The underwater biomimetic glider is designed,which can be propelled by the caudal fin or by the buoyancy changing device,or by them together. 2.The hydrodynamic model is established for the proposed biomimetic glider.Firstly, the transformation matrix among the ground coordinates,body-fixed coordinate and speed coordinate is obtained.Secondly,the kinematical equation of biomimetic glider is derived by using this transformation matrix.Finally,the hydrodynamics of biomimetic glider is presented by analyzing the forces and moments excerted on the biomimetic glider. 3.The dynamical behavior of the underwater biomimetic glider is analyzed.By the proposed hydrodynamic model,the performance indexes and the conditions of the spiraling motion and steady gliding motion are analyzed and obtained. Keywords:underwater biomimetic glider;mechanism design;hydrodynamic model; motion simulation -II- 万方数据
水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 - II - Abstract As a new kind of underwater robot, underwater biomimetic glider combines the advantages of robotic fish and glider together, which makes it not only can swim for a long time but also can increase its maneuverability and location accuracy. These characteristic makes the application of underwater biomimetic glider in the field such as water quality monitoring of rivers and lakes, sampling of underwater cylindrical region, etc.. This dissertation proposed a new biomimetic glider with a caudal fin, which can realized the spiraling motion with small radius and steady gliding motion by the translating and rotating of internal mass, expanding and contracting of external leather bag, and offsetting of caudal fin. On this basis, the hydrodynamic model is established for the proposed biomimetic glider and the equations of steady spiraling motion and steady gliding motion of it also is obtained by employing the fluid mechanics theory. Then, by analyzing spiraling motion,the relations are given between the turning radius & vertical speed and the parameters including the centroid position of pitching adjustment mechanism, offset angle of caudal fin, and centroid rotation angle of rolling adjustment mechanism. Meanwhile, the ranges of original values of the six output variables, which correspond to each of steady spiraling motion, are also obtained. The analyze of steady gliding motion reveals the relations between the input parameters including the movable mass displacements, the location of non-uniform stationary mass and net buoyancy and the output variables including the swimming speed and pitch angle. The following contributions have been made. 1. The underwater biomimetic glider is designed, which can be propelled by the caudal fin or by the buoyancy changing device, or by them together. 2. The hydrodynamic model is established for the proposed biomimetic glider. Firstly, the transformation matrix among the ground coordinates, body-fixed coordinate and speed coordinate is obtained. Secondly, the kinematical equation of biomimetic glider is derived by using this transformation matrix. Finally, the hydrodynamics of biomimetic glider is presented by analyzing the forces and moments excerted on the biomimetic glider. 3. The dynamical behavior of the underwater biomimetic glider is analyzed. By the proposed hydrodynamic model, the performance indexes and the conditions of the spiraling motion and steady gliding motion are analyzed and obtained. Keywords:underwater biomimetic glider; mechanism design; hydrodynamic model; motion simulation 万方数据
兰州交通大学硕士学位论文 目 录 摘 要 Abstract.… 1绪论 1 1.1课题研究背景及意义 .1 12水下航行器（滑翔器）的研究现状 1.3混合驱动水下滑翔器的研究状况 4 1.4课题主要研究内容.… 6 2水下仿生滑翔机器人结构设计… .7 2.1水下滑翔器的工作原理 .7 2.2水下仿生滑翔机器人系统组成 8 2.3水下仿生滑翔机器人外形设计 9 2.3.1壳体结构设计… 10 2.3.2前舱帽设计 11 2.3.3水平升降翼设计 ) 2.3.4垂直稳定翼设计.… 12 2.4俯仰调整机构设计… 12 2.5横滚调节机构设计 15 2.6浮力驱动系统设计 16 2.7仿生尾鳍设计 18 2.8本章小结.… 19 3水下仿生滑翔机器人水动力学建模 20 3.1坐标系与坐标变换 20 3.1.1坐标系的定义 20 3.1.2仿生滑翔机器人系统变量定义 21 3.1.3仿生滑翔机器人的坐标系变换关系 22 3.2仿生滑翔机器人的运动学分析. 26 3.2.1浮心的运动轨迹方程… 26 32.2旋转角速度和姿态角 27 3.2.3旋转矩阵方程.… 28 3.2.4移动重物运动方程 29 3.3仿生滑翔机器人的动力学分析 29 III- 万方数据
兰州交通大学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 课题研究背景及意义 ................................................................................................. 1 1.2 水下航行器(滑翔器)的研究现状 .............................................................................. 1 1.3 混合驱动水下滑翔器的研究状况 ............................................................................. 4 1.4 课题主要研究内容 ..................................................................................................... 6 2 水下仿生滑翔机器人结构设计 ............................................................................................ 7 2.1 水下滑翔器的工作原理 ............................................................................................. 7 2.2 水下仿生滑翔机器人系统组成 ................................................................................. 8 2.3 水下仿生滑翔机器人外形设计 ................................................................................. 9 2.3.1 壳体结构设计 ................................................................................................ 10 2.3.2 前舱帽设计 .................................................................................................... 11 2.3.3 水平升降翼设计 ............................................................................................ 11 2.3.4 垂直稳定翼设计 ............................................................................................ 12 2.4 俯仰调整机构设计 ................................................................................................... 12 2.5 横滚调节机构设计 ................................................................................................... 15 2.6 浮力驱动系统设计 ................................................................................................... 16 2.7 仿生尾鳍设计 ........................................................................................................... 18 2.8 本章小结 ................................................................................................................... 19 3 水下仿生滑翔机器人水动力学建模 .................................................................................. 20 3.1 坐标系与坐标变换 ................................................................................................... 20 3.1.1 坐标系的定义 ................................................................................................ 20 3.1.2 仿生滑翔机器人系统变量定义 .................................................................... 21 3.1.3 仿生滑翔机器人的坐标系变换关系 ............................................................ 22 3.2 仿生滑翔机器人的运动学分析 ............................................................................... 26 3.2.1 浮心的运动轨迹方程 .................................................................................... 26 3.2.2 旋转角速度和姿态角 .................................................................................... 27 3.2.3 旋转矩阵方程 ................................................................................................ 28 3.2.4 移动重物运动方程 ........................................................................................ 29 3.3 仿生滑翔机器人的动力学分析 ............................................................................... 29 万方数据
水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 33.1系统质量分布. 。。+。。。。+。。+。。+。。+ 29 3.3.2仿生滑翔机器人的作用力与力矩 30 3.3.3仿生滑翔机器人动力学方程建立 31 3.4本章小结.… 33 4仿生滑翔机器人行为分析与仿真. 34 4.1三维螺旋运动分析.… 34 4.1.1稳态螺旋方程的建立 34 4.1.2稳态螺旋运动方程求解 36 4.1.3稳态螺旋运动的收敛区域 39 4.2定常滑翔运动动力学分析 40 4.2.1定常滑翔的运动方程.… 40 4.2.2定常滑翔运动方程求解 43 4.3本章小结 44 结 论.… 45 致 谢 47 参考文献 48 攻读学位期间的研究成果 51 IV- 万方数据
水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 - IV - 3.3.1 系统质量分布 ................................................................................................ 29 3.3.2 仿生滑翔机器人的作用力与力矩 ................................................................ 30 3.3.3 仿生滑翔机器人动力学方程建立 ................................................................ 31 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 33 4 仿生滑翔机器人行为分析与仿真 ...................................................................................... 34 4.1 三维螺旋运动分析 ................................................................................................... 34 4.1.1 稳态螺旋方程的建立 .................................................................................... 34 4.1.2 稳态螺旋运动方程求解 ................................................................................ 36 4.1.3 稳态螺旋运动的收敛区域 ............................................................................ 39 4.2 定常滑翔运动动力学分析 ....................................................................................... 40 4.2.1 定常滑翔的运动方程 .................................................................................... 40 4.2.2 定常滑翔运动方程求解 ................................................................................ 43 4.3 本章小结 ................................................................................................................... 44 结 论 .................................................................................................................................. 45 致 谢 .................................................................................................................................. 47 参考文献 .................................................................................................................................. 48 攻读学位期间的研究成果 ...................................................................................................... 51 万方数据
兰州交通大学硕士学位论文 1绪论 1.1课题研究背景及意义 海洋中的能源储量非常大，有1350亿吨石油储存在海底，有相当于陆地燃料资源 总量的2倍以上的天然气水合物总量，以及近140万亿立方米的天然气。因此，为了扩 展人类的可利用资源，开发海洋资源意义重大-6，我国也更加重视海洋资源的合理开 发和海洋环境的保护。 由于水下环境的复杂多变，海洋环境的监测和研究因而非常困难，传统海洋环境监 测手段主要包括海洋监测船、漂流浮标、锚系浮标等进行，由于经济、航线、数目的局 限，观测平台往往不能完全满足监测需求。因此，一种新型的海洋监测平台一一水下滑 翔机器人(AUG)应运而生，8)，它们能够按照接受指令在水下自主运动，通过搭载各类测 量传感器，得到实时动态以及三维数据，便于构建海洋环境观测模型。 水下滑翔机器人是一种通过改变净浮力和重心位置关系实现水中三维运动的机器 人系统，具有能耗低、续航时间长等优点。因其在海洋环境监测、水生资源调查、 军事等领域具有重要的应用价值，得到了广泛的关注和研究10,1山。 水下仿生滑翔机器人把仿生推进与滑翔推进结合起来，能够充分利用滑翔推进的高 续航能力和低噪音，以及仿生推进的高效率和灵活性，具有续航时间长、环境污染少、 运动机动性能好等优点2，并具有较低的制造和维护成本、可反复利用等特点，适宜于 大批布置，适用于对海洋环境的长时间监测31，水下仿生滑翔机器人在实现水文勘测、 水下救援、水下探测、环境检测、桥墩大坝检测、水资源探测、生物考察等民用水下任 务，实现水下巡逻、预警、侦查、攻击等军用水下任务等方面具有广阔的应用前景。 鉴于水下仿生滑翔机器人的诸多优点及广泛的应用前景，使得水下仿生滑翔机器人 的研究与开发越来越受到国内外学者的重视，同时也取得了许多阶段性的成果。但是， 在理论分析和实验研究中仍有许多问题亟待解决，所设计的仿生滑翔机器人在实现多种 运动行为及执行水下任务方面仍然具有较大差距。因此，进一步开展对仿生滑翔机器人 运动行为的深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文拟设计一种具有仿生尾 鳍的水下滑翔机器人混合驱动机构，通过数值计算方法研究三维螺旋运动和定常滑翔运 动的运动机理。 1.2水下航行器（滑翔器）的研究现状 目前，能够在水下自主航行的无人潜水器主要有无人遥控潜水器、无人水下自航行 器以及无人水下滑翔器，上述各种水下无人航行器的关系如图1.1所示。 万方数据
兰州交通大学硕士学位论文 - 1 - 1 绪论 1.1 课题研究背景及意义 海洋中的能源储量非常大，有 1350 亿吨石油储存在海底，有相当于陆地燃料资源 总量的 2 倍以上的天然气水合物总量，以及近 140 万亿立方米的天然气。因此，为了扩 展人类的可利用资源，开发海洋资源意义重大[1-6]，我国也更加重视海洋资源的合理开 发和海洋环境的保护。 由于水下环境的复杂多变，海洋环境的监测和研究因而非常困难，传统海洋环境监 测手段主要包括海洋监测船、漂流浮标、锚系浮标等进行，由于经济、航线、数目的局 限，观测平台往往不能完全满足监测需求。因此，一种新型的海洋监测平台——水下滑 翔机器人(AUG)应运而生[7,8]，它们能够按照接受指令在水下自主运动，通过搭载各类测 量传感器，得到实时动态以及三维数据，便于构建海洋环境观测模型[9]。 水下滑翔机器人是一种通过改变净浮力和重心位置关系实现水中三维运动的机器 人系统，具有能耗低、续航时间长等优点。因其在海洋环境监测、水生资源调查、 军事等领域具有重要的应用价值，得到了广泛的关注和研究[10,11]。 水下仿生滑翔机器人把仿生推进与滑翔推进结合起来，能够充分利用滑翔推进的高 续航能力和低噪音，以及仿生推进的高效率和灵活性，具有续航时间长、环境污染少、 运动机动性能好等优点[12]，并具有较低的制造和维护成本、可反复利用等特点，适宜于 大批布置，适用于对海洋环境的长时间监测[13-15]，水下仿生滑翔机器人在实现水文勘测、 水下救援、水下探测、环境检测、桥墩大坝检测、水资源探测、生物考察等民用水下任 务，实现水下巡逻、预警、侦查、攻击等军用水下任务等方面具有广阔的应用前景。 鉴于水下仿生滑翔机器人的诸多优点及广泛的应用前景，使得水下仿生滑翔机器人 的研究与开发越来越受到国内外学者的重视，同时也取得了许多阶段性的成果。但是， 在理论分析和实验研究中仍有许多问题亟待解决，所设计的仿生滑翔机器人在实现多种 运动行为及执行水下任务方面仍然具有较大差距。因此，进一步开展对仿生滑翔机器人 运动行为的深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本文拟设计一种具有仿生尾 鳍的水下滑翔机器人混合驱动机构，通过数值计算方法研究三维螺旋运动和定常滑翔运 动的运动机理。 1.2 水下航行器(滑翔器)的研究现状 目前，能够在水下自主航行的无人潜水器主要有无人遥控潜水器、无人水下自航行 器以及无人水下滑翔器，上述各种水下无人航行器的关系如图 1.1 所示。 万方数据
水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 水下潜器UV Underwater Vehicle 载人潜水器HOV 无人潜水器UUV Human Occupied Vehicle Unmanned Underwater Vehicle 无人遥控潜水器ROV 水下自航行器AUV 水下滑翔器Glider或AUG Remotely Operated Vehicle Autonomous Underwater Vehicle Autonomous Underwater Glider 图1.1水下滑翔器分类 上世纪80年代末，Scripps海洋研究所和Doug Webb实验室的研究者研制了ALACE 浮标系统，并基于ALACE制作了PLACE、APEX浮标，使得现有浮标不但能完成下潜 上浮动作，还可以通过装备的传感器执行水下任务、续航时间更长，还可以实现浮于水 面与卫星通讯系统的数据传输。虽然这些浮标可以在海洋中长时间的工作，但长期随洋 流漂泊，位置难以确定，并且不可回收6,17。 1989年，美国海洋学家Stommel在海洋学杂志上发表的论文中提出了水下滑翔机 器人的概念，他希望海洋学家能够通过在海洋里布放一些装置，来提取海洋内部的环境 信息8。 l991年1月和11月，Doug Webb等人在美国Wakulla Springs和Seneac Lake进行 了电动SLOCUM样机的湖中实验。 在2001年前后，美国研究员先后设计了三种比较典型的电驱动水下滑翔器，并进 行了海试试验，分别是由华盛顿大学研制的Seaglider2o如图l.2(a)所示，由斯克利普斯 海洋研究所研制的spray Glider21如图1.2(b)所示，韦伯研究公司、普林斯顿大学和伍兹霍 尔海洋研究所共同研制的水下滑翔器Slocum Electric Glider如图1.2(c)所示，这三个滑 翔器的特性参数详见表1.1。 (a)Sesglider (b)Spray (c)Slocum(电动) 图1.2三种电动水下滑翔器的实体照片 -2- 万方数据
水下仿生滑翔机器人机构设计及水动力学分析 - 2 - 图 1.1 水下滑翔器分类 上世纪 80 年代末，Scripps 海洋研究所和 Doug Webb 实验室的研究者研制了 ALACE 浮标系统，并基于 ALACE 制作了 PLACE、APEX 浮标，使得现有浮标不但能完成下潜 上浮动作，还可以通过装备的传感器执行水下任务、续航时间更长，还可以实现浮于水 面与卫星通讯系统的数据传输。虽然这些浮标可以在海洋中长时间的工作，但长期随洋 流漂泊，位置难以确定，并且不可回收[16,17]。 1989 年，美国海洋学家 Stommel 在海洋学杂志上发表的论文中提出了水下滑翔机 器人的概念，他希望海洋学家能够通过在海洋里布放一些装置，来提取海洋内部的环境 信息[18]。 1991 年 1 月和 11 月，Doug Webb 等人在美国 Wakulla Springs 和 Seneac Lake 进行 了电动 SLOCUM 样机的湖中实验[19]。 在 2001 年前后，美国研究员先后设计了三种比较典型的电驱动水下滑翔器，并进 行了海试试验，分别是由华盛顿大学研制的 Seaglider[20]如图 1.2(a)所示，由斯克利普斯 海洋研究所研制的 spray Glider[21]如图 1.2(b)所示,韦伯研究公司、普林斯顿大学和伍兹霍 尔海洋研究所共同研制的水下滑翔器 Slocum Electric Glider 如图 1.2(c)所示，这三个滑 翔器的特性参数详见表 1.1。 (a) Sesglider (b) Spray (c) Slocum(电动) 图 1.2 三种电动水下滑翔器的实体照片 万方数据