水下滑翔机航行算法及数据处理系统研究

摘要

为了开发海洋资源，寻找能源、矿产以及生物资源等，人类利用自治水下航行器(AUV)进行海洋勘探。水下滑翔机作为一种新型的自治水下航行器，具有成本低、航程远、下潜深、航行时间长、具有自主导航能力等特性，通过挂载不同类型的传感器，成为海底观测平台中不可或缺的一部分。
　　本文研究水下滑翔机能耗与滑行状态的关系，提出一种能耗最优的组合航行算法，研发数据处理系统，为航行提供准确的参数，通过实验测试系统的性能。
　　研究表明，滑翔机以最小阻力姿态航行，转弯半径尽可能小，每次下潜深度尽可能大，则能耗最低。根据确定的航行任务，通过GPS获得起始经纬度，给定目标点的经纬度，结合罗盘测得的偏航角，明确起始航向。滑翔机先做螺旋运动调整航向，然后在垂直纵剖面做锯齿形运动。每次下潜上浮后在水面通过GPS纠正航向，以逐渐纠偏的方式逼近目标点。
　　数据处理系统由上下位机两部分组成，采用检错重发的通信机制。上位机功能包括参数设置、操作保护和数据处理，下位机的功能包括系统自检、数据处理、运动部件调试、航行任务规划和应急处理。
　　实验验证了数据处理系统的性能满足要求，滑翔机的钛合金外壳和天线防水外罩耐压大于2.4MPa，尾翼轴的动静密封可靠，并测得电机的最佳工作状态。同时，测试了可控参数——重块偏移量和净浮力，对航行的俯仰角和垂直分速度的影响。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 关键技术及研究内容

1．3．1 关键技术

1．3．2 研究内容

1．4 本章小结

2 航行算法研究

2．1 坐标定义

2．2 航行状态

2．2．1 最小阻力的航行状态

2．2．2 最大水平速度的航行状态

2．3 二维空间的路径规划

2．4 三维空间的路径规划

2．5 航行算法的应用

2．6 本章小结

3 数据处理系统硬件设计

3．1 滑翔机与岸基通信方法

3．1．1 电缆通信

3．1．2 无线电台通信

3．1．3 全球卫星通信

3．2 系统硬件设计

3．2．1 系统硬件构架

3．2．2 硬件电路设计

3．3 航行设备集成

3．4 本章小结

4 数据处理系统软件开发

4．1 上下位机数据通信方法

4．2 上位机数据处理系统

4．2．1 上位机功能规划

4．2．2 上位机数据处理模块

4．3 下位机数据处理系统

4．4 本章小结

5 水下滑翔机航行实验研究

5．1 数据处理系统测试

5．2 滑翔机耐压、密封性能实验

5．2．1 外壳耐压、静密封实验

5．2．2 转向系统动密封实验

5．3 浮力调节系统性能实验

5．3．1 活塞密封材料比较

5．3．2 电机最佳工作转速

5．4 可控参数与航行状态关系的水池实验

5．4．1 重块偏移量对俯仰角及垂直分速度的影响

5．4．2 净浮力对俯仰角及垂直分速度的影响

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献