【摘要】：水下滑翔機是一種高效的水下航行器,可以作為海洋觀測平臺搭載多種傳感器實現(xiàn)水下的多目標探測,在海洋研究和軍事領域都具有重要的應用價值,對水下滑翔機的本體設計及理論研究意義重大。水下滑翔機航程遠、工作區(qū)域大,但航行速度較低、運動穩(wěn)定性稍差。此外,外部環(huán)境如水流等干擾,通過水動力的作用影響滑翔機的運行穩(wěn)定性與運動性能。良好的控制與路徑規(guī)劃可以進一步提高滑翔機的運動性能,保證滑翔機的長時間穩(wěn)定運行。探討滑翔機的水動力特性,揭示水動力對滑翔機運動的影響,可以優(yōu)化滑翔機的形體設計及改善運動控制效果。本論文對滑翔機運動特性進行了研究分析,并解決了滑翔機的運動穩(wěn)定性與高效路徑規(guī)劃問題。在建立的滑翔機六自由度動力學模型的基礎上,對運動控制設計進行多方案研究,實現(xiàn)了滑翔機運動姿態(tài)的穩(wěn)定切換;以航向改變時的能耗最小為目標函數(shù),基于優(yōu)化理論得到三維空間的滑翔機能效最優(yōu)路徑;深入研究滑翔機水動力特性,分析水動力對滑翔機的影響;基于理論與經(jīng)驗方法,分析滑翔機各部分特性,設計了實域尺度水下滑翔機,并通過水域試驗驗證了滑翔機的性能。通過本論文的工作,實現(xiàn)水下滑翔機的穩(wěn)定控制與低能耗路徑規(guī)劃,為滑翔機機型研發(fā)與實際應用提供參考。主要完成的研究工作如下:基于牛頓-歐拉法,建立了利用內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機構調(diào)節(jié)航向的滑翔機六自由度完整約束動力學模型,并推導了完整的分解表達式。通過將系統(tǒng)狀態(tài)量約束在穩(wěn)定值,得到了三維穩(wěn)態(tài)盤旋運動平衡方程,并進一步將運動狀態(tài)約束在垂直面內(nèi)獲得二維穩(wěn)態(tài)直線運動平衡方程。對于變量多、等式結構復雜的三維運動方程求解情況,利用可獲得全局最優(yōu)解的粒子群算法獲取準確的模型穩(wěn)態(tài)解,以克服普通數(shù)值方法在求解時易陷入局部最優(yōu)解的缺陷。在模型與穩(wěn)態(tài)解的基礎上,分析了垂直面內(nèi)二維鋸齒形運動與三維盤旋運動兩種穩(wěn)態(tài)滑翔狀態(tài)�；铏C六自由度模型的建立與穩(wěn)態(tài)值的求解為控制方案的研究、優(yōu)化路徑的設計及機體設計分析提供理論基礎。在動力學模型的基礎上,對運動控制器設計進行了多方案研究。首先,設計了LQR控制器控制滑翔機姿態(tài)切換過程,并設計了Kalman濾波器反饋系統(tǒng)的完整狀態(tài)量,實現(xiàn)了滑翔機的姿態(tài)保持與姿態(tài)角切換控制;其次,利用輸入輸出反饋線性化方法,得到輸入-輸出之間具有線性行為的偽線性系統(tǒng),選擇滑翔角度與速度為被控對象,設計了PID控制器控制被控對象的穩(wěn)定變化;再次,考慮到水下滑翔機擁有復雜的內(nèi)部動態(tài),容易引起運動的不穩(wěn)定,基于Lyapunov穩(wěn)定判據(jù)設計非線性控制器控制滑翔機的俯仰角度切換過程;最后,考慮執(zhí)行機構的運動特性與控制方法實施的便宜性因素,設計了帶有時滯環(huán)節(jié)的位置控制器,該控制器以機體的調(diào)節(jié)角度作為控制目標,以姿態(tài)調(diào)節(jié)機構的位置為控制對象,以執(zhí)行機構的加速度為直接控制量,該控制器不依賴動力學模型即可計算出控制量,從而實現(xiàn)不依賴數(shù)學模型的黑盒控制。通過仿真實驗研究,對比分析各控制器對滑翔機角度與執(zhí)行機構位置的控制效果。參考衛(wèi)星的變軌方式,限定水下滑翔機執(zhí)行機構的運動范圍,基于優(yōu)化理論,解得了滑翔機的二維能耗最優(yōu)路徑,獲得的最優(yōu)路徑由最小轉(zhuǎn)彎半徑圓弧與最大轉(zhuǎn)彎半徑兩種圓弧構成。在理論研究的基礎上,提出了最優(yōu)路徑的幾何構造方法。然后,再將滑翔機的最優(yōu)路徑拓展到三維空間,針對低位深度、中位深度與高位深度三種深度情況,分別通過選擇合理的不飽和滑翔角度、增大最小轉(zhuǎn)彎半徑與增加盤旋路徑的方法將路徑拓展到三維運動空間。通過仿真,對比分析了與傳統(tǒng)三維Dubins路徑的區(qū)別,探討了滑翔機能效最優(yōu)路徑的優(yōu)點。分別從數(shù)值計算與試驗測試兩方面展開對滑翔機的水動力特性的深入研究�；谙嗨评碚�,在風動中測試了一個水下滑翔機的六自由度水動力力與力矩,試驗測量結果用于研究滑翔機的水動力變化規(guī)律,并用于校正基于RNG k-ε方法得到數(shù)值計算結果。運動仿真結果表明,CFD計算結果可以應用于樣機的設計與運動性能研究。此外,通過對比試驗,研究了滑翔機的溫度-深度-鹽度(CTD)單元與推進器單元兩種附體對機體阻力產(chǎn)生的影響。分析結果可為滑翔機設計與運動分析提供參考。為快速估計滑翔機的阻力系數(shù),基于試驗測試數(shù)據(jù),擬合得出包含雷諾數(shù)的滑翔機阻力系數(shù)估計經(jīng)驗公式,該經(jīng)驗公式適用于滑翔機設計階段對阻力的快速估計。以滑翔機的動力學模型作為設計支撐,并且以成熟的滑翔機經(jīng)驗參數(shù)作為設計輔助,總結出一套理論與經(jīng)驗相結合的滑翔機設計方法,詳細分析研究了各滑翔機各部分的特征。設計過程由外殼到內(nèi)部結構層層遞進:首先,基于滑翔機理論模型,從穩(wěn)態(tài)運動的受力平衡角度出發(fā),獲得浮力系統(tǒng)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機構的設計參數(shù);再次,基于機翼理論,分析了適用于水下滑翔機的機翼形式與特點,結合經(jīng)典的滑翔機主殼體外形,通過對三種滑翔機外形進行數(shù)值計算分析,得出性價比最優(yōu)的滑翔機外形;最后,基于提出的設計方法與獲得的設計參數(shù),研制一臺實域尺度水下滑翔機,通過機構調(diào)試與機體的湖試研究,驗證機體的穩(wěn)定性與所提出的方法的有效性。
【圖文】：

背景占地球表面積的 70.8%，對全球的氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定都有洋中蘊含著豐富的資源。包括：礦產(chǎn)、漁業(yè)等自然資源；沉船、海；溫差能、波浪能等自然能源。除此之外，海洋中還有大量的生物這些都迫切需要人類去探索研究。的表面與水下特征主要通過搭載于航空航天平臺或依賴于母船的托以上兩種方式不僅成本高，而且不能很好地探測水下信息。為獲取，需要可以完成特殊任務的水下載體。纜控水下機器人(ROV ， Vehicle)主要通過搭載的機械手與采樣裝置對近母船的目標進行操作傳統(tǒng)的自主式水下航行器(AUV ，Automated Underwater Vehicle)可區(qū)域的快速機動搜索，但運行時間短。

圖 1-2 水下采樣網(wǎng)絡Fig.1-2 Underwater sampling network在立體海洋網(wǎng)絡中的位置如圖 1-2 所示。翔機作為水下移動平臺，通過搭載不同的傳感器可以實現(xiàn)對多種滿足對海洋分析的基本要求。方面，利用滑翔機可以充分探測溫躍層與鹽層的分布，為水下通提供保障。在戰(zhàn)略方面，中國的南海，東海存在海權紛爭問題。監(jiān)控、武器網(wǎng)絡，不僅可以監(jiān)控海洋狀況，而且可以起到威懾作于無可替代的地位，我國是新興的海洋國家，，在已有航區(qū)或北冰翔機進行監(jiān)控有利于保障航運安全。水下觀測平臺相比，水下滑翔機在續(xù)航能力、隱蔽性、造價方面翔機研究現(xiàn)狀
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U674.941

【參考文獻】

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本文編號：2608212