【摘 要】
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自主/遥控型水下机器人(ARV)作为近年来兴起的新型水下机器人,提高了人类探索和研究深海的能力。ARV使用微细光纤缆作为和母船实时通信的媒介,摆脱了传统脐带缆的限制,既可以做大范围巡航观测,也可以完成定点精细测量。因此研究微细光纤缆在运动过程中的动力学响应和安全的缆绳布放操作,对于ARV的可靠性和安全性具有重要意义。首先本文使用有限段法建立了微细光纤缆的简化模型,缆绳离散为自由连接的可伸长直杆,这
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自主/遥控型水下机器人(ARV)作为近年来兴起的新型水下机器人,提高了人类探索和研究深海的能力。ARV使用微细光纤缆作为和母船实时通信的媒介,摆脱了传统脐带缆的限制,既可以做大范围巡航观测,也可以完成定点精细测量。因此研究微细光纤缆在运动过程中的动力学响应和安全的缆绳布放操作,对于ARV的可靠性和安全性具有重要意义。首先本文使用有限段法建立了微细光纤缆的简化模型,缆绳离散为自由连接的可伸长直杆,这种模型可以使用较少的分段数计算大范围缆绳的三维运动。通过推导微段的本构方程和力学平衡建立了非线性的控制方程组,并转化成优化函数的形式。随后针对传统牛顿法在求解非线性方程组时的稳定性对于初始值敏感的问题,提出一种混合优化的思想,使用粒子群算法在大范围寻优确定牛顿法的初始值,再使用牛顿法进行快速最优计算,并把这种混合优化思想成功应用在微细光纤缆的静态和动态计算过程。接着本文通过多组计算实例的对比,分析了ARV运动过程中的微细光纤缆的动力学响应,分析了主要影响缆绳安全性的因素,得到了很多有意义的结论,为安全的缆绳布放方案提供参考。最后本文使用大量的动力学计算数据,建立一个神经网络训练数据,可以根据影响缆绳安全性的各个参数确定微细光纤缆的布放速度,通过将张力控制在合适的范围内,完成安全、可行的缆绳布放。
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