形状记忆合金驱动的水下滑翔机运动控制研究

摘要

水下滑翔机是为了满足当前海洋环境监测与测量的需要，将浮标技术与水下机器人技术相结合而研制的一种新型水下航行器。作为大深度、大范围内运动的水下观测平台，它具有极高的科技附加值。它主要由浮力调节机构，重心调节机构配合侧翼来实现完整的运动姿态调整。以自身浮力作为航行动力，没有外挂螺旋桨推进系统，它通过浮力调节系统动态地调节载体自身浮力，实现载体正浮力与负浮力之间的状态转换，为载体提供上浮和下潜动力。通过调整载体内部的质量分布，从而改变载体重心与浮心的相对位置，以产生横滚力矩和俯仰力矩，实现载体回转和俯仰运动。因此，设计出高性能的浮力调节机构和姿态调节机构是水下滑翔机设计的关键。形状记忆合金（SMA）作为一种新型的智能材料具有结构简单，易控制，无噪声等优点。本研究拟采用SMA作为驱动材料，设计制造新型的浮力调节机构和姿态调节机构，并对水下滑翔机的控制方法进行研究。本文共分为六章，各章的主要内容如下：
　　第一章，阐述了本文所研究的背景和意义，综述水下滑翔机的国内外研究现状，并介绍了形状记忆合金的材料特性以及本课题所要重点解决的研究难点，引出本文的研究内容。
　　第二章，水下滑翔机的整体构架研究，阐述了水下滑翔机的运动机理，对滑翔机的低阻力外壳进行系统设计。然后讨论滑翔机在水中运行时的能量变化以及受力情况，建立数学模型讨论滑翔机各参数之间的联系，最后针对所设计的滑翔机进行matlab仿真，得出滑翔机运动时的航行角尽量小于65度，绝对不能让重心位移达到临界位置。
　　第三章，对水下滑翔机姿态调节系统进行研究，首先介绍了传统的姿态调节方式所存在的缺陷和使用局限性，从而提出本文所要设计的形状记忆合金驱动的姿态调节系统。根据姿态调节系统的结构图阐述其工作原理，并对其进行数学建模，用matlab编程得到仿真图。最后通过实验证明合金丝是驱动姿态调节系统的最佳材料，并且能实现预期的姿态调节效果。
　　第四章，对水下滑翔机浮力调节机构进行了研究，首先对传统的浮力调节方式进行阐述，分析其优缺点。在此基础上提出自己设计的水下滑翔机浮力调节机构。对所设计的浮力调节机构进行系统分析，详细介绍了机构中四个弹簧的设计方法。
　　第五章，研究了水下滑翔机的控制方法，比较不同的控制方式如模糊控制方式，人工神经网络控制方式，PID控制方式得出最适合水下滑翔机的控制方式是PID前馈/反馈控制，对水下滑翔机反馈PID控制器进行设计，并仿真得出滑翔机运动轨迹，横滚速度，航行角与时间的关系。
　　第六章，总结本文的研究工作，展望了本课题中需要进一步改进的不足之处。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究意义

1.2 国内外发展现状

1.3 水下滑翔机研究难点

1.4 形状记忆合金

1.5 本文研究内容

1.6 本章小结

2 水下滑翔机整体构架研究

2.1 水下滑翔机的设计原理

2.2 水下滑翔机的整体构建

2.3 水下滑翔机的运动过程分析

2.4 水下滑翔机运动仿真

2.5 本章小节

3 水下滑翔机姿态调节机构研究

3.1 引言

3.2 姿态调节实现方案

3.3 姿态调节机构的设计

致谢

参考文献