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商品簡介
目次

商品簡介

《水下機器人現代設計技術》系統地論述了水下機器人設計與分析的基本原理、方法和技術,介紹了FLUENT、MATLAB/Simulink、ANSYS、ADAMS等現代設計分析軟件在水下機器人設計中的應用,並以作者及研究團隊的科研成果為主線,系統地闡述了水下機器人設計與分析方法。《水下機器人現代設計技術》共十章,包括水下機器人結構及流線型設計、能源與動力、系統辨識方法、運動分析、底層控制系統、虛擬樣機技術、路徑規劃與軌跡跟蹤、仿生側線感知及局域導航定位方法等方面的內容。

目次

目錄







前言



第1章 緒論 1



1.1 水下機器人的應用 1



1.1.1 海洋資源概述 1



1.1.2 海洋開發的重要意義 4



1.1.3 水下機器人應用領域 5



1.2 水下機器人的概念及分類 7



1.3 水下機器人發展現狀 8



1.4 水下機器人關鍵技術 14



1.5 水下機器人未來發展展望 17



1.6 本書內容 18



參考文獻 18



第2章 水下機器人結構設計 20



2.1 水下機器人常用設計方法 20



2.2 水下機器人的系統結構 22



2.3 水下機器人的總體佈局 31



2.3.1 水下機器人形體的選擇 32



2.3.2 推進器的數量和佈置 32



2.3.3 機械手、電視和照明裝置的佈置 35



2.4 水下機器人的穩定性設計 36



2.4.1 浮體材料選擇 36



2.4.2 浮力調節系統 39



2.4.3 水下機器人各部分相對比重量的分析與確定 39



2.4.4 水下機器人重心與浮心計算 41



2.5 水下機器人結構現代設計方法 44



2.5.1 ANSYS有限元分析技術 44



2.5.2 CFD軟件分析技術 44



2.5.3 MATLAB/Simulink仿真技術 45



2.5.4 虛擬樣機聯合仿真技術 45



2.6 水下機器人結構設計案例 46



2.6.1 AUV整體結構方案設計 46



2.6.2 基於有限元軟件的耐壓艙壁厚設計 53



2.6.3 AUV水動力性能分析 59



參考文獻 73



第3章 水下機器人流線型設計 75



3.1 水下機器人殼體建模及其設計 75



3.1.1 水下航行器殼體線型設計理論 75



3.1.2 小型 AUV殼體線型設計原理 77



3.1.3 水下機器人力學特徵及殼體主要設計原則 83



3.1.4 殼體外形建模方案 84



3.2 基於CFD的導流罩流線型設計 89



3.2.1 導流罩優化設計 90



3.2.2 AUV流動情況分析 103



3.3 基於功率流的流線型殼體優化設計技術 105



3.3.1 結構優化分析概述 105



3.3.2 基於結構聲強中單元薄膜力輸出參數的殼體優化分析 106



3.3.3 AUV流線型殼體優化分析 111



參考文獻 115



第4章 水下機器人能源與動力 116



4.1 能源選擇及計算 116



4.1.1 能源選擇 116



4.1.2 蓄電池容量的計算 121



4.2 常用驅動方式 122



4.3 推進器動力分析與計算 126



4.3.1 推進器推力分析 126



4.3.2 推進器推力計算 127



4.3.3 推進功率計算 128



4.3.4 實現六自由度控制的多推進器佈置角度分析 129



4.4 水下機器人推力性能測試實例 132



參考文獻 134



第5章 水下機器人系統辨識方法研究 135



5.1 推進器參數辨識 135



5.2 AUV水動力參數辨識 138



5.2.1 AUV水平面水動力參數辨識 138



5.2.2 AUV垂直面水動力參數辨識 144



5.3 基於遺傳算法的AUV水動力參數辨識 150



5.3.1 遺傳算法基本原理 150



5.3.2 Rastrigin函數GA優化實例 155



5.3.3 遺傳算法辨識AUV水動力參數 157



參考文獻 167



第6章 水下機器人運動分析 169



6.1 坐標系和參數定義 169



6.2 不同坐標系之間參數的轉換 170



6.2.1 位移矢量在不同坐標系之間的轉換 170



6.2.2 速度、加速度在不同坐標系之間的轉換 171



6.3 水下機器人水平面和垂直面運動 172



6.3.1 水平面運動 172



6.3.2 垂直面運動 173



6.4 水下機器人在合力作用下的空間運動表達式 174



6.5 水下機器人動力學分析 176



6.5.1 與速度相關的水動力導數 177



6.5.2 與加速度相關的水動力導數 177



6.5.3 AUV 的黏性類水動力係數 178



6.6 水下機器人的空間運動方程 181



6.6.1 水下機器人在水中受到的合外力 181



6.6.2 水下機器人空間運動方程建立 181



6.6.3 考慮海流作用時的水下機器人空間運動方程 184



參考文獻 184



第7章 底層控制系統設計 185



7.1 小型AUV及推進器模型仿真與分析 185



7.1.1 AUV仿真模型建立 185



7.1.2 推進器的電機控制策略 191



7.1.3 推進器仿真模型 192



7.2 推進器的人工免疫控制 196



7.2.1 人工免疫控制 196



7.2.2 推進器免疫模型構建與仿真分析 199



7.3 水下機器人空間姿態控制系統設計 205



7.3.1 滑模變結構控制的基本概念 205



7.3.2 水下機器人空間姿態控制模型 206



7.3.3 姿態控制系統雙環滑模控制律的設計 208



7.3.4 姿態控制系統建立與仿真 210



參考文獻 214



第8章 水下機器人虛擬樣機控制系統仿真設計 215



8.1 虛擬樣機幾何物理模型的建立 216



8.1.1 幾何模型的建立與ADAMS的導入 216



8.1.2 輸入輸出變量的定義 217



8.1.3 虛擬樣機水動力設置 218



8.2 虛擬樣機控制模型 219



8.2.1 控制系統總述 219



8.2.2 虛擬樣機控制模型建立 221



8.3 虛擬樣機系統聯合仿真及結果分析 223



8.3.1 AUV的控制系統模型 224



8.3.2 虛擬樣機系統聯合仿真 226



參考文獻 228



第9章 水下機器人軌跡跟蹤控制器與路徑規劃 230



9.1 水下機器人空間運動方程的簡化與分解 230



9.1.1 非奇異終端滑模控制 231



9.1.2 PF問題描述 233



9.2 控制器設計 234



9.2.1 巡航速度控制器的設計 235



9.2.2 位置控制器的設計 235



9.2.3 艏向角控制器的設計 236



9.3 軌跡跟蹤仿真分析 237



9.4 虛擬樣機系統全景綜合仿真 240



9.5 水下機器人路徑規劃 243



9.5.1 拐點速度和總能耗的計算方法 243



9.5.2 基於耗能優的改進蟻群算法 247



9.5.3 仿真實驗及分析 249



參考文獻 252



第10章 基於人工側線系統的水下機器人感知研究 254



10.1 人工側線系統基本理論及現狀分析 254



10.2 基於人工側線系統的水下航行器流場感知研究 256



10.2.1 靜載體對流場參數的感知 256



10.2.2 動載體對流場參數的感知 259



10.2.3 靜載體對障礙物參數的識別 261



10.2.4 基於機器學習算法的流場參數感知 264



10.3 基於人工側線系統的水下航行器姿態感知研究 266



10.3.1 人工側線系統載體的仿真建模 266



10.3.2 仿生盒子魚載體的設計製作及水槽實驗 273



10.3.3 基於神經網絡算法的數據處理 278



10.4 基於人工側線系統的水下航行器水下振源感知研究 281



10.4.1 偶極子振動源定位的數學模型 281



10.4.2偶極子振動源運動參數的感知 283



10.4.3 移動振動源形態參數的感知 293



10.5 本章小結 295



參考文獻 296



附錄A 貝塞爾曲線算法 298



附錄B B樣條曲線生成算法 299



附錄C 求解X方向運動時所用的MATLAB函數程序 301



附錄D 外環滑模控制器MATLAB函數程序 302



附錄E 內環滑模控制器MATLAB函數程序 304



附錄F 非奇異終端滑模控制算法 305



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