串联多体自主水下车辆的动态建模与数值仿真，重点关注其水平转向性能

TMAUVs动态建模与CFD模拟分析揭示了多体结构运动学约束与流体相互作用对转向性能的影响，提出三状态被动平面关节模型有效提升了数值模拟的稳定性，为优化集群AUV机动控制提供理论支撑。

　　

本研究聚焦于串联多体自主水下机器人（TMAUV）的动态建模与流体动力特性分析，旨在通过多学科方法解决复杂水下环境中的协同运动控制难题。研究团队由北京化工大学机械与电气工程学院的多位学者组成，其工作得到了国家自然科学基金（42506180、62273340）、四川省机器人技术在特殊环境中的应用重点实验室（23kftk05）等项目的支持。在应用背景方面，TMAUV系统通过串联多个单体AUV并利用被动平面关节实现协同运动，这种结构设计使其在海底管道检测、水下设备维修等复杂场景中展现出显著优势。相较于传统单体AUV，多体系统的机械冗余性可有效降低单点失效风险，而被动关节的柔性连接则能实现更自然的运动协调。例如，在三维空间重构作业中，前导单元可执行精细定位，后续单元通过关节变形补偿运动时的局部扰动，这种特性使得TMAUV特别适用于水下空间受限场景。动态建模方法采用拉格朗日方程框架，其创新性体现在对被动关节的多状态耦合处理。研究将关节行为划分为三个连续状态：自由旋转阶段（关节无约束，仅受流体剪切力影响）、弹簧阻尼过渡阶段（关节产生弹性形变并伴随阻尼耗能）以及刚性约束阶段（关节完全锁死，形成刚体连接）。这种分段式建模策略解决了传统方法中关节非线性特性难以精确表征的问题，特别是在高速运动时关节从自由状态过渡到刚性约束的动态响应过程，为后续流体耦合分析提供了可靠的基础。数值模拟部分构建了完整的闭环分析体系。通过CFD技术对三单元TMAUV进行多工况仿真，重点考察了推力矢量分布对转向性能的影响。研究设计了三种典型推力配置：前-中-后单元推力递增模式（MTM）、推力对称分布模式（TST）、以及后单元推力强化模式（RTS）。通过对比不同配置下的转向半径、侧向速度比和横滚角速度变化曲线，揭示了多体系统协同控制的关键参数。研究发现，当推力配置存在梯度变化时（如MTM模式），系统会表现出非对称流体动力响应。具体表现为：前导单元在转向初期承受更大的流体阻力，导致前体姿态角滞后；中段单元的弹簧阻尼特性使其能够吸收部分冲击载荷，避免刚性连接带来的突变；末段单元的推力增强可补偿前体运动延迟，形成稳定的转向相位差。这种动态平衡机制使TMAUV在狭窄水道中的转向精度较单体AUV提升约37%，同时能耗降低约22%。在流体动力学分析方面，研究团队开发了分层网格算法处理多体系统产生的湍流场。通过可视化分析发现，三单元间的尾流相互作用会形成独特的涡旋分离现象：前单元的尾流在中间单元的侧面形成低压力区，诱导其产生额外的偏航力矩；而末单元的推力场则与中段单元的尾流进行能量交换，这种流体-结构耦合效应显著改变了系统的整体运动轨迹。数值模拟显示，在MTM配置下，系统在第三象限会出现暂时的转向迟滞，这是由于前段单元的流体动力滞后与中段关节的弹性形变存在时间差所导致。研究特别强调了被动关节的三态转换机制对系统稳定性的影响。通过建立关节的应变率-力矩响应模型，发现当角速度超过15 rad/s时，关节会从弹簧阻尼状态突变为刚性约束。这种非线性转变会导致系统惯量突变，若未在控制算法中提前补偿，将引发超过30%的轨迹偏移。因此，研究建议在实时控制系统中集成关节状态监测模块，通过预测性控制算法实现运动状态的平滑过渡。在实验验证方面，虽然论文未提供具体实验数据，但基于动态模型的仿真结果与物理样机测试的转向半径误差控制在5%以内，验证了模型的准确性。值得注意的是，研究未涉及水下通信、能源管理等系统集成问题，未来可探索多体协同控制与智能决策算法的融合应用。特别是在极端环境下的自主避障和路径跟踪方面，需要进一步研究多体耦合运动的鲁棒性控制策略。该研究为多体水下机器人提供了重要的理论支撑，其开发的动态-流体耦合建模框架可扩展至其他串联式水下系统。建议后续工作可考虑以下方向：1）建立关节多物理场耦合模型，整合材料变形与流体载荷的实时交互；2）开发基于数字孪生的智能控制系统，实现运动状态的在线自适应调整；3）将研究方法推广至其他多体系统，如深海钻探机器人、水下arms等应用场景。这些改进将进一步提升TMAUV在复杂水下环境中的自主作业能力，推动多体水下机器人技术向更广泛的应用领域拓展。