陀螺效应作用下水下航行体建模与运动控制方法研究

摘要

当旋转装置的旋转轴在惯性空间中改变方向时，其上各个质点的科氏力形成一个相对质心的惯性力矩，即陀螺力矩，陀螺力矩产生的效应称之为陀螺效应。陀螺效应作用下的水下航行体，有以下两种情况：第一种情况是对装具有旋转装置的水下航行体（如潜艇），其陀螺效应会影响航行体预期的运动状态，因此此类陀螺效应对于水下航行体来说是一种干扰量，需要加以抑制；第二种情况是通过在水下航行体上装备旋转装置并通过控制其旋转状态来产生控制力矩，从而控制水下航行体的运动状态。无论是前者或着后者，对于保证和改进航行体的性能都是十分有意义的。
　　本文将陀螺效应作用下的水下航行体看作多刚体系统，运用动量和动量矩定理，在充分考虑水动力的情况下，建立了动力学方程；特别的，考虑到基于控制力矩陀螺群（Control Moment Gyro System,CMGs）的小型水下航行体可能作大姿态角机动，在建立其运动学方程时引入了四元数，以避免利用欧拉转角建立运动学方程时所出现的奇异状况。
　　在进行某新型安装于潜艇上的旋转装备的研制时，要求该装备在潜艇潜航时保持旋转，且其转动惯量较大。本文分析了陀螺效应对潜艇运动特性的影响。分析表明：旋转装置的角速度加深了潜艇垂直面运动和水平面运动之间的耦合，旋转装置的角加速度对潜艇横摇具有较大的影响。在此基础上，采用滑模变结构控制算法分别设计了潜艇的航向控制器和深度控制器，并进行了仿真分析。仿真结果表明：(1)无论潜艇处于哪种机动状态，旋转装置的角加速度对其横倾角的影响都很大，特别是潜艇在作变向旋回运动且陀螺装置又以较大的加速度旋转时。因此当潜艇既需要改变航向，又需要将旋转装置加速到指定的速度时，宜将上述两个动作分时完成。即先对潜艇进行变向操纵，待变向完成后再加速旋转装置至指定的速度。这样将避免因变向引起的横倾角与因旋转装置的加、减速引起的横倾角的叠加；(2)陀螺效应作用下的潜艇在作变向机动时，要特别注意深度的控制，否则很有可能出现大的超调；(3)对于潜艇航向的操纵与控制，可以忽略陀螺效应的影响；(4)设计的控制器控制效果良好，能够很好地抑制陀螺效应所带来的干扰。
　　针对提高小型水下航行体的水下机动能力的需求，本文研究了采用内置式姿态控制执行机构—控制力矩陀螺群(CMGs)的陀螺效应去控制水下航行体姿态的方法。分别分析了CMGs的力矩输出原理，力矩放大原理及奇异原理。针对基于CMGs的小型水下航行体，考虑水动力，设计了航行体的姿态控制器。
　　将带零运动的CMGs操纵律和广义加权鲁棒伪逆操纵律的优点结合起来，设计了一种混合的CMGs操纵律。考虑CMGs框架伺服特性建立了框架伺服系统的动力学方程，并设计伺服控制律。将设计的姿态控制器，CMGs操纵律，伺服控制律集成在一起进行了联合仿真，仿真结果表明：(1)基于CMGs的水下航行体在零动量状态下可进行姿态机动，且回转半径基本为零。(2)采用欧拉四元数法来建立其运动学方式是适合基于CMGs的水下航行体的。(3)CMGs作为执行机构去控制航行体的姿态具有可行性。
　　研制了基于 CMGs的水下航行体样机。包括航行体壳体，姿态控制执行机构，控制系统的硬件等，为进一步的试验研究奠定了基础。

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目录

1 绪论

1.1 题来源及其研究意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文的研究内容和结构安排

2 带陀螺装置的水下航行体数学模型

2.1 引言

2.2 坐标系、参数定义及变换矩阵

2.3 运动学方程

2.4 动力学方程

2.5 作用在航行体上的力

2.6 水下航行体数学模型

2.7 本章小结

3 陀螺效应作用下潜艇的操纵与控制

3.1 引言

3.2 仿真方程

3.3 影响分析

3.4 水平面控制系统设计

3.5 垂直面控制系统设计

3.6 仿真算例

3.7 本章小结

4 基于CMGs的水下航行体姿态控制和CMGs操纵律

4.1 引言

4.2 控制模型

4.3 基于四元数的PD控制器

4.4 基于四元数的滑模变结构控制器

4.5 CMGs原理

4.6 CMGs操纵律

4.7 本章小结

5 CMGs框架伺服系统与联合仿真

5.1 引言

5.2 框架及伺服电机的数学模型

5.3 伺服电机控制律

5.4 联合仿真

5.5 本章小结

6 基于CMGs的水下航行体样机研制

6.1 引言

6.2 壳体和执行机构的研制

6.3 控制系统设计

6.4 试验方案

6.5 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附 录 攻读学位期间发表论文目录