洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动分析与控制器设计研究

摘要

水下滑翔机作为水下移动平台，以其运动噪声低、造价低及续航能力强的航行优势，在海洋环境研究、海洋资源探测和海底侦察等民用和军事领域有着广阔的应用前景，对于水下滑翔机的理论和应用研究意义重大。
　　为了充分认识水下滑翔机的动力学行为，本文研究了水下滑翔机动力学建模方法，基于模型采用参数化的分析方法，阐述了滑翔机的几何特征与其运动性能和稳定性之间的关系，为滑翔机的几何特征参数的选择提供理论依据。海洋环境复杂，水下滑翔机的运动容易受到洋流的影响，本文进一步建立了洋流影响下的水下滑翔机多体系统动力学模型，分析洋流对水下滑翔机运动的影响。并基于模型分别设计控制器和观测器，进行滑翔机姿态控制和洋流速度梯度观测。在成功研制ZJUGlider样机的基础上，开展水域试验和仿真试验研究，对理论研究方法进行了初步的验证。主要研究工作如下:
　　基于牛顿-欧拉方程，通过增设质点坐标系，建立了完整的通过内部偏心重物平移和旋转实现姿态调节水下滑翔机多体系统动力学模型;同时建立了通过内部平移重物和尾舵来实现姿态调节滑翔机多体系统动力学模型，为ZJUGlider的运动性能和稳定性分析提供必要的研究基础。进一步地，基于拉格朗日方程和“伪坐标”的概念，建立了洋流影响下的水下滑翔机多体系统动力学模型，模型中考虑了洋流速度和速度梯度对水下滑翔机动力学行为的影响，为洋流中水下滑翔机的运动预测及控制器和观测器设计做好准备。
　　依据飞机设计理论，本文对水下滑翔机的几何特征进行了参数化定义，分析了水下滑翔机的水动力特性，分别通过计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）数值计算方法和解析法求解ZJUGlider的粘性和非粘性水动力系数。基于ZJUGlider的动力学模型和水动力模型，分别对其纵剖面锯齿形稳态运动和稳态转弯运动进行分析，讨论几何特征对两种运动的性能和稳定性的影响，为水下滑翔机的设计提供理论依据。并以对比仿真的方式，对于特定洋流中水下滑翔机的运动进行预测，分析洋流对滑翔机动力学行为的影响，为水下滑翔机的航行参数选择提供指导。
　　设计基于前馈/反馈环节的运动控制器，通过编写稳态解算器获得前馈环节的稳态运动参数。首先对水下滑翔机在静水中运动的姿态控制能力进行仿真验证，然后对水下滑翔机在特定洋流中运动的姿态控制性能进行讨论。在此基础上，阐述了水下滑翔机顺流运动控制的实现方法，借助洋流的作用提高滑翔机的续航范围。将洋流速度梯度看作滑翔机运动的扰动量，基于线性增广系统模型，设计龙伯格(Luenberger)状态观测器，实现了对洋流速度梯度的有效估计。
　　在理论研究的基础上，研制了最大下潜深度为200m的水下滑翔机样机ZJUGlider。水域试验表明样机性能稳定可靠，实现了预期的设计功能，具备作为移动观测平台进行浅海海洋环境探测的能力。并基于样机开展仿真试验研究，对顺流运动控制的实现方法进行了初步的验证。
　　本研究对水下滑翔机的动力学建模、稳态运动性能和稳定性分析进行了系统的研究，并对洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动控制器和洋流特征观测器设计进行了一定的探索研究，为今后更为深入的理论和应用研究奠定了坚实基础。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 水下滑翔机的研制现状

1．2．2 水下滑翔机的应用现状

1．2．3 水下滑翔机的理论研究现状

1．3 研究课题的提出

1．4 课题来源和意义

1．5 研究内容

1．6 本章小结

2 洋流影响下的水下滑翔机动力学建模

2．1 引言

2．2 水下滑翔机动力学建模

2．2．1 水下滑翔机系统构成

2．2．2 通过偏心重物平移和旋转实现姿态调节水下滑翔机运动模型

2．2．3 通过平移重物和尾舵实现姿态调节水下滑翔机运动模型

2．3 考虑洋流影响的水下滑翔机动力学建模

2．3．1 洋流描述

2．3．2 考虑洋流影响的水下航行器运动模型对比分析

2．3．3 洋流影响下的水下滑翔机运动模型

2．4 本章小结

3 水下滑翔机运动性能及洋流对运动影响分析

3．1 引言

3．2 水下滑翔机几何特征与水动力特性

3．2．1 水下滑翔机是键几何特征的参数化表达

3．2．2 水下滑翔机水动力特性

3．2．3 两个关键水动力系数表达式的定义

3．2．4 ZJU Glider水动力系数求解

3．3 水下滑翔机稳态运动分析

3．3．1 纵剖面锯齿形稳态运动

3．3．2 稳态转弯运动

3．4 水下滑翔机几何特征对运动性能影响分析

3．4．1 对纵剖面内运动性能的影响

3．4．2 对转弯能力的影响

3．5 水下滑翔运动稳定性分析

3．5．1 水下滑翔机运动模态分析

3．5．2 水下几何特征对运动稳定性影响分析

3．6 特定洋流中水下滑翔机的动力学行为分析

3．6．1 流速在水平面内呈正弦规律变化的洋流中滑翔机的动力学行为

3．6．2 涡流中滑翔机的动力学性能

3．6．3 流速在竖直方向上存在梯度的洋流中滑翔机的动力学行为

3．7 本章小结

4 洋流影响下的水下滑翔机控制器与观测器设计

4．1 引言

4．2 基于前馈／反馈环节的运动控制器设计

4．2．1 控制器设计方法

4．2．2 控制器性能仿真

4．3 特定洋流中水下滑翔机的姿态控制性能仿真

4．3．1 流速在水平面内呈正弦规律变化的洋流中水下滑翔机航向控制

4．3．2 涡流中水下滑翔机航向控制

4．3．3 流速在竖直方向上存在梯度的洋流中水下滑翔机俯仰和转向控制

4．3．4 洋流中水下滑翔机顺流运动控制

4．4 洋流速度梯度状态观测器设计与性能仿真

4．5 本章小结

5 水下滑翔机研制与试验研究

5．1 引言

5．2 水下滑翔机系统研制

5．2．1 系统概况

5．2．2 系统实现

5．3 水下滑翔机试验研究

5．3．1 耐压壳体压力试验

5．3．2 浮力调节系统压力试验

5．3．3 整机试验

5．3．4 顺流运动控制仿真试验

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 论文主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介

附录1

附录2

附录3

附录4