水下潜器水动力模型简化及参数辨识研究

摘要

水下潜器空间机动是严重非线性的，两平面间的运动是强耦合的，水下潜器操纵控制的重点和难点就在于此。水动力参数的获得与精确性对于水下潜器的操纵控制至关重要，本文针对水下潜器的水动力参数的问题进行了研究，主要工作有： 系统的研究并推导了模拟水下潜器运动较为完整的仿真模型。首先从刚体的动量定理出发，通过对水下潜器运动的受力分析，以泰勒级数和微分方程理论作为主要的数学工具，推导了水下潜器空间六自由度运动方程。 水动力参数辨识研究背景是模拟训练，本文对于水下潜器的全部108个水动力系数进行了分析，由于实际航行数据数量不足，参数不宜太复杂，因此有必要将方程从水下潜器的结构特性和运动特性两个方面对其进行简化，在标准方程众多水动力系数中保留对水下潜器空间运动起主导作用的一部分系数，忽略其他各项或影响较小的参数，对原方程进行了简化。 研究了水下潜器操纵性与水动力系数之间的关系，提出水动力系数敏感性指数的指标，从水下潜器操纵性的角度对水下潜器的水动力系数进行了敏感性指数的测定，从水平面Z形操舵机动、定常回转运动、垂直面梯形操舵机动三种实验的仿真结果中提取操纵性指标与水动力系数进行解算，进而剔除某些不敏感的水动力系数。 研究了扩展卡尔曼滤波器的工作原理和设计方法，利用扩展卡尔曼滤波，采用非线性观测器的方法辨识了部分一阶水动力系数。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景、目的和意义

1.2操纵性理论及控制的研究状况

1.2.1操纵性理论概述

1.2.2操纵性的三个发展阶段和两种研究途径

1.3水动力参数仿真研究的现状

1.3.1系统辨识概述、原理和内容

1.3.2国内外的研究情况

1.4论文的主要工作和章节安排

第2章潜器空间运动建模

2.1引言

2.2两种坐标系及其转换关系

2.2.1两种坐标系

2.2.2两种坐标系之间的旋转变换关系

2.2.3刚体动量和动量矩的导数在两种坐标系中的转换关系

2.3潜器空间六自由度运动建模

2.3.1动量定理与欧拉动力学方程

2.3.2平动方程

2.3.3旋转方程

2.4艇体空间受力的数学表示

2.4.1静力

2.4.2水动力

2.5潜器六自由度空间运动方程

2.6本章小结

第3章潜器水动力参数的分析

3.1引言

3.2测定水动力系数的方法

3.2.1理论计算方法

3.2.2船模试验测定

3.2.3近似计算

3.3水动力系数

3.3.1泰勒公式展开式

3.3.2水动力系数分类

3.3.3各水动力导数的意义和符号

3.3.4水平面与垂直面非线性分析

3.3.5水动力系数的无因次化

3.4本章小结

第4章水动力系数敏感性指数

4.1引言

4.2操纵性试验与指标

4.2.1水平面Z形操作机动

4.2.2梯形操舵试验

4.2.3回转运动试验

4.3敏感性水动力系数计算及分析

4.3.1水动力系数敏感性指数

4.3.2试验的种类及方法

4.3.3指数计算

4.4本章小结

第5章扩展卡尔曼滤波辨识水动力参数

5.1引言

5.2几种最优估计方法

5.2.1最优估计方法

5.2.2各种最优估计的比较

5.3卡尔曼滤波算法及扩展卡尔曼滤波算法

5.3.1状态估计

5.3.2卡尔曼滤波的提出

5.3.3扩展卡尔曼滤波算法

5.4辨识水动力参数

5.4.1非线性观测器

5.4.2辨识结果

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢