混合型水下滑翔机运动控制与水下接驳技术研究

发布时间：2017-08-17 17:03

  本文关键词：混合型水下滑翔机运动控制与水下接驳技术研究

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【摘要】：将水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)通过水下接驳技术与海底观测网结合起来,可以组成立体的海洋观测系统,但是由于AUV单次充电后的续航能力还是有限的,使得这个立体观测的区域相对于广阔的海洋还是有限的。这就需要有一种探测工具,在单次充电后具有更长的续航能力,能够探测更广阔的范围。针对该需求,同时考虑到混合型水下滑翔机(Hybrid Underwater Glider, HUG)兼具常规水下滑翔机航程远和AUV机动性好的优点,本文面向海底观测网络,设计可用于水下自主接驳的混合型水下滑翔机,并研究其动力学建模、运动控制,以及与水下接驳相关的回坞导航技术,最终通过试验验证HUG接驳可行性以及相关算法。根据上述研究目标,本文提出并设计了一种利用可摆动推进器推进和转向的新式混合型水下滑翔机,并对其进行建模研究,在建模中提出了液压油囊式浮力调节系统的精确建模方法,较为精确地描述了浮力调节系统对航行器净重及质心的影响。在建立的HUG动力学模型的基础上,用仿真方式对比了液压油囊式浮力调节系统的精确建模方法与常用的浮力调节系统简化建模方法,得出结论：本文提出的浮力调节系统模型更精确地描述了浮力调节系统对航行器净重及质心的影响,可以更好地用于HUG的运动预测。此外,还通过仿真评估了HUG的水平航行和回转运动性能,分析了纵剖面的稳态滑翔运动。在运动控制方面,通过对比PID控制和模糊控制的实现方式和特点,选用了适用于HUG航向控制的算法——模糊PID复合控制。针对纵剖面滑翔运动的滑翔角控制问题,基于前馈／反馈控制原理,提出了一种基于模型拟合公式的前馈预测方法和滑翔角估计方法,相对于前人的方法,减少了计算量,同时提高了滑翔角的控制精度。针对混合型水下滑翔机速度低,容易受洋流影响的特点,提出一种接驳站可主动旋转的接驳系统方案,在此基础上,提出了一种引导HUG入坞的洋流补偿跟踪算法,实现对洋流影响进行补偿的同时保持目标接驳站在HUG的视线范围内,该算法可以增加HUG入坞过程中对洋流影响的鲁棒性。考虑到试验的方便性,本文另外设计了一款与面向实海应用的ZJU-HUG相似的小型混合型水下滑翔机(取名Mini-HUG)作为试验模型,用于算法和模型验证。在前面建模分析和算法研究的基础上,进行了HUG的试验研究和分析。针对Mini-HUG,开展了性能评估、航向控制算法及接驳算法的验证试验,充分发挥了它作为算法和模型验证平台的作用；针对面向实海应用的ZJU-HUG,开展了性能评估试验。试验结果表明,具有可摆动推进器的新型HUG,跟常规仅采用舵转向的HUG相比,具有更好的操纵性,并且在低速下还能够保持较好的转向特性,此外,试验还验证了HUG模型的准确性、航向控制算法的有效性以及HUG接驳的可行性。
【关键词】：混合型水下滑翔机 可摆动推进器 水下接驳 操纵性 稳态滑翔 性能评估 运动控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;TP273
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-20
• 1. 绪论20-38
• 1.1 研究背景及意义20-24
• 1.1.1 研究背景20-22
• 1.1.2 研究意义22-24
• 1.2 混合型水下滑翔机研究现状24-30
• 1.3 相关理论研究现状30-35
• 1.3.1 混合型水下滑翔机建模和控制研究现状30-31
• 1.3.2 水下航行器水下接驳技术研究现状31-35
• 1.4 研究内容35-37
• 1.5 本章小结37-38
• 2. 混合型水下滑翔机动力学建模38-60
• 2.1 引言38
• 2.2 系统设计38-41
• 2.2.1 总体设计目标38-39
• 2.2.2 系统布局与组成39-40
• 2.2.3 可摆动推进器的设计40-41
• 2.3 浮力调节系统模型41-45
• 2.3.1 液压油囊式浮力调节系统建模42-44
• 2.3.2 活塞排水式浮力调节系统建模44-45
• 2.4 混合型水下滑翔机动力学建模45-55
• 2.4.1 混合型水下滑翔机系统构成46
• 2.4.2 坐标系建立46-48
• 2.4.3 动学方程48-49
• 2.4.4 混合型水下滑翔机水动力特性49-50
• 2.4.5 可摆动推进器引起的力和力矩50-51
• 2.4.6 动力学模型51-55
• 2.5 考虑洋流影响的混合型水下滑翔机动力学建模55-57
• 2.5.1 洋流影响下的HUG运动学方程56
• 2.5.2 洋流中的HUG动力学模型56-57
• 2.6 混合型水下滑翔机水动力特性仿真计算57-58
• 2.7 本章小结58-60
• 3. 混合型水下滑翔机运动仿真与分析60-74
• 3.1 引言60
• 3.2 不同浮力调节系统建模方法仿真分析60-63
• 3.3 浮力调节系统的布局对HUG性能影响分析63-64
• 3.4 运动仿真和性能分析64-72
• 3.4.1 水平直航仿真64-65
• 3.4.2 转运动性能评估65-67
• 3.4.3 纵剖面稳态滑翔运动仿真与分析67-72
• 3.5 本章小结72-74
• 4. 混合型水下滑翔机运动控制方法研究74-90
• 4.1 引言74
• 4.2 AUV模式下的航向控制方法研究74-78
• 4.2.1 PID控制74-76
• 4.2.2 模糊控制76-77
• 4.2.3 基于模糊PID的航向控制77-78
• 4.3 AUV模式下回转速率控制策略78-80
• 4.3.1 带有惯导场合的回转速率控制策略78-79
• 4.3.2 不带有惯导场合的回转速率控制策略79-80
• 4.4 Glider模式下的纵剖面的稳态滑翔运动控制80-88
• 4.4.1 纵剖面滑翔速度控制81
• 4.4.2 纵剖面滑翔路径控制81-88
• 4.5 Glider模式下的航向控制88
• 4.6 本章小结88-90
• 5. 洋流影响下的水下接驳技术研究90-116
• 5.1 引言90
• 5.2 水下接驳概述及回坞导航策略90-94
• 5.2.1 水下接驳站分类90-91
• 5.2.2 水下接驳站坐标系91-92
• 5.2.3 入坞接驳问题数学描述92-93
• 5.2.4 坞导航总体策略93-94
• 5.3 考虑洋流影响的面向单向型接驳站的回坞引导算法94-100
• 5.3.1 面向单向型接驳站的接驳策略94-95
• 5.3.2 考虑洋流影响的水下接驳状态方程描述95-96
• 5.3.3 考虑洋流影响的水下接驳引导算法96-99
• 5.3.4 算法仿真分析99-100
• 5.4 利用主动旋转的接驳站实现HUG的水下接驳100-113
• 5.4.1 可主动旋转的接驳站101-102
• 5.4.2 基于可主动旋转接驳站的近端入坞引导算法分析102-107
• 5.4.3 补偿洋流的跟踪算法107-111
• 5.4.4 接驳站主动旋转策略111-113
• 5.5 接驳失败后的应对策略113-114
• 5.6 本章小结114-116
• 6. 混合型水下滑翔机试验研究与分析116-140
• 6.1 引言116
• 6.2 试验平台设计开发116-120
• 6.2.1 小型混合型水下滑翔机(Mini-HUG)设计116-119
• 6.2.2 通信及数据采集系统119-120
• 6.3 混合型水下滑翔机性能评估试验120-128
• 6.3.1 Mini-HUG的千岛湖滑翔模式测试120-123
• 6.3.2 Mini-HUG的水池螺旋转弯滑翔测试123-124
• 6.3.3 Mini-HUG的操纵性能评估试验124-126
• 6.3.4 ZJU-HUG的性能评估试验126-128
• 6.4 Mini-HUG航向控制算法试验研究128-133
• 6.4.1 航向PID控制参数整定129-131
• 6.4.2 不同航向控制算法对比131-133
• 6.5 Mini-HUG的水下接驳试验133-138
• 6.5.1 固定接驳站的接驳试验133-135
• 6.5.2 基于主动旋转接驳站的接驳试验135-138
• 6.5.3 水下接驳试验总结138
• 6.6 本章小结138-140
• 7. 总结与展望140-143
• 7.1 论文工作总结140-141
• 7.2 论文主要创新点141
• 7.3 展望141-143
• 参考文献143-150
• 科研成果150
• 攻读博士学位期间获得的科研成果150
• 参与的主要科研项目150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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本文编号：690112