混合驱动水下自航行器动力学行为与控制策略研究

摘要

混合驱动水下自航行器(Hybrid Autonomous Underwater Vehicle，简称HAUV)是一种集成了水下自航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)和水下滑翔器(Autonomous Underwater Glider，简称AUG)工作方式的新型水下航行器，当需要长距离航行或有隐蔽性要求时，可采用滑翔器工作模式，具有航程大、能耗低、噪音小等优点；当需要快速机动或有较高的定位和航迹精度要求时，可采用自航行器模式航行，具有定位精度高、操纵性好等优点。
　　 本文设计开发了混合驱动水下自航行器，并进行了水域试验，验证了混合驱动水下自航行器设计的正确性和功能实现的有效性。在混合驱动水下自航行器的设计过程中，论文建立了混合驱动水下自航行器的动力学模型，并进行了控制器设计，以确定相关设计参数和分析系统的运动特性。本文的主要研究成果为：
　　 1.设计了我国首台混合驱动水下自航行器样机。该航行器既可通过艉部的螺旋桨驱动航行，也可通过艏部的浮力调节装置改变浮力实现沉浮。航行器的姿态调整则可通过尾舵、横滚重物及平移重物的运动来实现。
　　 2.建立了混合驱动水下自航行器的空间六自由度非线性动力学模型。此模型考虑了横滚重物、平移重物、浮力调节装置及螺旋桨的共同作用，能够较为准确地反映混合驱动水下自航行器的动力学特性，对同类混合驱动水下自航行器的动力学建模具有参考价值，并进行了动力学模型仿真，验证了动力学模型的正确性。
　　 3.分析了混合驱动水下自航行器的动力学行为。通过分析水平面运动与纵垂面运动的耦合关系，提出了相应的解耦方法。在解耦的基础上，将其动力学模型分别限制在水平面和纵垂面内，得到各自的简化模型。针对混合驱动水下自航行器的机动性和操纵性，以滑翔效率最高和水平滑翔速度最大为设计目标，优化了混合驱动水下自航行器的控制参数，并确定了系统控制参数的取值。
　　 4.将模糊PID控制器应用于混合驱动水下自航行器，重点研究了混合驱动水下自航行器的轨迹跟踪策略，并量化分析了利用携带的有限能源实现航行距离的最大化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2水下航行器发展状况

1.2.1水下自航行器发展状况

1.2.2水下滑翔器发展状况

1.3 混合驱动水下航行器发展状况

1.4混合驱动水下自航行器动力学特性及控制技术研究状况

1.5本课题来源和意义

1.6本文主要研究内容

第二章 混合驱动水下自航行器系统总体设计

2.1引言

2.2总体设计目标和工作过程

2.2.1总体设计目标

2.2.2工作过程

2.3混合驱动水下自航行器系统设计

2.3.1主舱模块设计

2.3.2测量模块设计

2.3.2通信模块设计

2.3.4驱动与操纵模块设计

2.3.5姿态调整模块设计

2.3.6浮力调节模块设计

2.3.7释放模块设计

2.4控制系统设计

2.4.1控制系统体系结构

2.4.2控制系统硬件设计

2.4.3控制系统软件设计

2.4.4控制系统可靠性设计

2.5本章小节

第三章 混合驱动水下自航行器动力学建模

3.1引言

3.2坐标系与坐标变换

3.2.1坐标系的定义

3.2.2混合驱动水下自航行器的运动参数

3.2.3体坐标系与惯性坐标系之间的转换矩阵

3.3混合驱动水下自航行器系统数学模型

3.3.1运动学方程

3.3.2动力学方程

3.4 混合驱动水下自航行器系统动力学仿真

3.4.1螺旋桨驱动模式下动力学仿真

3.4.2浮力驱动模式下动力学仿真

3.5本章小结

第四章 混合驱动水下自航行器动力学行为研究

4.1引言

4.2动力学模型耦合性分析

4.2.1螺旋桨驱动模式下耦合性分析

4.2.2浮力驱动模式下耦合性分析

4.3螺旋桨驱动模式下动力学行为研究

4.3.1水平面运动动力学行为分析

4.3.2纵垂面运动动力学行为分析

4.4浮力驱动模式下动力学行为研究

4.4.1空间螺旋运动动力学行为分析

4.4.2纵垂剖面动力学行为分析

4.5本章小结

第五章 混合驱动水下自航行器控制策略研究

5.1引言

5.2模糊PID控制算法

5.2.1 PID控制算法

5.2.2模糊PID控制算法

5.3控制策略

5.3.1航向控制策略

5.3.2轨迹跟踪策略

5.3.3深度控制策略

5.3.4滑翔角度控制策略

5.4最大续航能力

5.4.1螺旋桨驱动模式下最大续航能力

5.4.2浮力驱动模式下最大续航能力

5.4本章小结

第六章 混合驱动水下自航行器试验研究

6.1引言

6.2单元试验

6.2.1 GPS

6.2.2浮力驱动装置

6.2.3压力传感器

6.2.4姿态调整模块单元试验

6.2.5驱动与操纵模块单元试验

6.3整机湖试试验

6.3.1航行试验

6.3.2滑翔试验

6.4本章小结

第七章 全文总结及工作展望

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

作者参加的科研项目和完成的学术论文

致谢