水下滑翔机运动特性与路径规划研究

发布时间：2020-03-30 23:33

【摘要】：水下滑翔机是一种高效的水下航行器,可以作为海洋观测平台搭载多种传感器实现水下的多目标探测,在海洋研究和军事领域都具有重要的应用价值,对水下滑翔机的本体设计及理论研究意义重大。水下滑翔机航程远、工作区域大,但航行速度较低、运动稳定性稍差。此外,外部环境如水流等干扰,通过水动力的作用影响滑翔机的运行稳定性与运动性能。良好的控制与路径规划可以进一步提高滑翔机的运动性能,保证滑翔机的长时间稳定运行。探讨滑翔机的水动力特性,揭示水动力对滑翔机运动的影响,可以优化滑翔机的形体设计及改善运动控制效果。本论文对滑翔机运动特性进行了研究分析,并解决了滑翔机的运动稳定性与高效路径规划问题。在建立的滑翔机六自由度动力学模型的基础上,对运动控制设计进行多方案研究,实现了滑翔机运动姿态的稳定切换;以航向改变时的能耗最小为目标函数,基于优化理论得到三维空间的滑翔机能效最优路径;深入研究滑翔机水动力特性,分析水动力对滑翔机的影响;基于理论与经验方法,分析滑翔机各部分特性,设计了实域尺度水下滑翔机,并通过水域试验验证了滑翔机的性能。通过本论文的工作,实现水下滑翔机的稳定控制与低能耗路径规划,为滑翔机机型研发与实际应用提供参考。主要完成的研究工作如下:基于牛顿-欧拉法,建立了利用内部旋转机构调节航向的滑翔机六自由度完整约束动力学模型,并推导了完整的分解表达式。通过将系统状态量约束在稳定值,得到了三维稳态盘旋运动平衡方程,并进一步将运动状态约束在垂直面内获得二维稳态直线运动平衡方程。对于变量多、等式结构复杂的三维运动方程求解情况,利用可获得全局最优解的粒子群算法获取准确的模型稳态解,以克服普通数值方法在求解时易陷入局部最优解的缺陷。在模型与稳态解的基础上,分析了垂直面内二维锯齿形运动与三维盘旋运动两种稳态滑翔状态。滑翔机六自由度模型的建立与稳态值的求解为控制方案的研究、优化路径的设计及机体设计分析提供理论基础。在动力学模型的基础上,对运动控制器设计进行了多方案研究。首先,设计了LQR控制器控制滑翔机姿态切换过程,并设计了Kalman滤波器反馈系统的完整状态量,实现了滑翔机的姿态保持与姿态角切换控制;其次,利用输入输出反馈线性化方法,得到输入-输出之间具有线性行为的伪线性系统,选择滑翔角度与速度为被控对象,设计了PID控制器控制被控对象的稳定变化;再次,考虑到水下滑翔机拥有复杂的内部动态,容易引起运动的不稳定,基于Lyapunov稳定判据设计非线性控制器控制滑翔机的俯仰角度切换过程;最后,考虑执行机构的运动特性与控制方法实施的便宜性因素,设计了带有时滞环节的位置控制器,该控制器以机体的调节角度作为控制目标,以姿态调节机构的位置为控制对象,以执行机构的加速度为直接控制量,该控制器不依赖动力学模型即可计算出控制量,从而实现不依赖数学模型的黑盒控制。通过仿真实验研究,对比分析各控制器对滑翔机角度与执行机构位置的控制效果。参考卫星的变轨方式,限定水下滑翔机执行机构的运动范围,基于优化理论,解得了滑翔机的二维能耗最优路径,获得的最优路径由最小转弯半径圆弧与最大转弯半径两种圆弧构成。在理论研究的基础上,提出了最优路径的几何构造方法。然后,再将滑翔机的最优路径拓展到三维空间,针对低位深度、中位深度与高位深度三种深度情况,分别通过选择合理的不饱和滑翔角度、增大最小转弯半径与增加盘旋路径的方法将路径拓展到三维运动空间。通过仿真,对比分析了与传统三维Dubins路径的区别,探讨了滑翔机能效最优路径的优点。分别从数值计算与试验测试两方面展开对滑翔机的水动力特性的深入研究。基于相似理论,在风动中测试了一个水下滑翔机的六自由度水动力力与力矩,试验测量结果用于研究滑翔机的水动力变化规律,并用于校正基于RNG k-ε方法得到数值计算结果。运动仿真结果表明,CFD计算结果可以应用于样机的设计与运动性能研究。此外,通过对比试验,研究了滑翔机的温度-深度-盐度(CTD)单元与推进器单元两种附体对机体阻力产生的影响。分析结果可为滑翔机设计与运动分析提供参考。为快速估计滑翔机的阻力系数,基于试验测试数据,拟合得出包含雷诺数的滑翔机阻力系数估计经验公式,该经验公式适用于滑翔机设计阶段对阻力的快速估计。以滑翔机的动力学模型作为设计支撑,并且以成熟的滑翔机经验参数作为设计辅助,总结出一套理论与经验相结合的滑翔机设计方法,详细分析研究了各滑翔机各部分的特征。设计过程由外壳到内部结构层层递进:首先,基于滑翔机理论模型,从稳态运动的受力平衡角度出发,获得浮力系统与姿态调节机构的设计参数;再次,基于机翼理论,分析了适用于水下滑翔机的机翼形式与特点,结合经典的滑翔机主壳体外形,通过对三种滑翔机外形进行数值计算分析,得出性价比最优的滑翔机外形;最后,基于提出的设计方法与获得的设计参数,研制一台实域尺度水下滑翔机,通过机构调试与机体的湖试研究,验证机体的稳定性与所提出的方法的有效性。
【图文】：

轨迹图,滑翔机,轨迹

背景占地球表面积的 70.8%，对全球的气候变化、生态系统的稳定都有洋中蕴含着丰富的资源。包括：矿产、渔业等自然资源；沉船、海；温差能、波浪能等自然能源。除此之外，海洋中还有大量的生物这些都迫切需要人类去探索研究。的表面与水下特征主要通过搭载于航空航天平台或依赖于母船的托以上两种方式不仅成本高，而且不能很好地探测水下信息。为获取，需要可以完成特殊任务的水下载体。缆控水下机器人(ROV ， Vehicle)主要通过搭载的机械手与采样装置对近母船的目标进行操作传统的自主式水下航行器(AUV ，Automated Underwater Vehicle)可区域的快速机动搜索，但运行时间短。

采样网络

图 1-2 水下采样网络Fig.1-2 Underwater sampling network在立体海洋网络中的位置如图 1-2 所示。翔机作为水下移动平台，通过搭载不同的传感器可以实现对多种满足对海洋分析的基本要求。方面，利用滑翔机可以充分探测温跃层与盐层的分布，为水下通提供保障。在战略方面，中国的南海，东海存在海权纷争问题。监控、武器网络，不仅可以监控海洋状况，而且可以起到威慑作于无可替代的地位，我国是新兴的海洋国家，，在已有航区或北冰翔机进行监控有利于保障航运安全。水下观测平台相比，水下滑翔机在续航能力、隐蔽性、造价方面翔机研究现状
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941

【参考文献】