水面無人平臺(tái)動(dòng)力學(xué)建模及姿態(tài)穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著世界各國(guó)越來越重視海洋資源與海洋權(quán)益，各國(guó)間領(lǐng)海爭(zhēng)端有急劇上升的態(tài)勢(shì)。為維護(hù)我國(guó)領(lǐng)海主權(quán)，保障我國(guó)海洋權(quán)益，大力發(fā)展海軍裝備意義重大。隨著無人化成為了戰(zhàn)爭(zhēng)的重要發(fā)展趨勢(shì)，水中無人作戰(zhàn)系統(tǒng)受到廣泛重視，近年來各國(guó)相繼加大了研究力度。結(jié)合水面和水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)，提出一種多用途水面無人平臺(tái)的概念，該平臺(tái)特指一種尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)輸組裝方便的特種作戰(zhàn)平臺(tái)，可用于預(yù)定海域的警戒偵察。該無人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境及任務(wù)要求與通常

2、搭載于諸如車輛、艦船等大型運(yùn)動(dòng)載體的常規(guī)作戰(zhàn)平臺(tái)有較大差別，需要考慮水面應(yīng)用環(huán)境與小尺寸漂浮平臺(tái)的特殊性及其導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)耦合問題。圍繞該水面無人平臺(tái)所面臨的系統(tǒng)建模和姿態(tài)控制問題開展研究，對(duì)于水中無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用具有重要意義，也可為此類浮式特種平臺(tái)的開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本文以一種水面無人平臺(tái)為對(duì)象，對(duì)該平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性及其姿態(tài)控制過程中存在的技術(shù)和理論問題進(jìn)行了研究。對(duì)負(fù)載、載體和環(huán)境的特殊性導(dǎo)致的動(dòng)力學(xué)耦合問題，以及在

3、此基礎(chǔ)上的平臺(tái)數(shù)學(xué)建模和姿態(tài)控制策略進(jìn)行了重點(diǎn)研究。
　　為獲得由浮式單元和平臺(tái)載體構(gòu)成的混合多浮體結(jié)構(gòu)漂浮平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，基于理想流體三維勢(shì)流理論和多剛體動(dòng)力學(xué)，建立了漂浮平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)幾種可行的結(jié)構(gòu)方案，分別建立了漂浮平臺(tái)整體動(dòng)力學(xué)模型，分析了平臺(tái)載體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。為減小流體動(dòng)力對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，指導(dǎo)浮式單元陣列的排列方式，結(jié)合勢(shì)流理論和GREEN函數(shù)法，求解了浮式單元陣列在不同排列方式下的水動(dòng)力系數(shù)，

4、得到了水動(dòng)力作用與浮式單元陣列排列方式之間的分布規(guī)律。
　　針對(duì)水面無人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了改進(jìn)的串并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)，并建立了數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)了并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方程;通過建立傳動(dòng)支鏈的速度映射關(guān)系，推導(dǎo)了系統(tǒng)的速度雅可比矩陣，基于Lagrange法建立了并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型。為簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方程，比較分析了各部件慣性參數(shù)對(duì)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)性能的影響。為了解運(yùn)動(dòng)副間隙對(duì)平臺(tái)動(dòng)力學(xué)特性的影響，基于改進(jìn)的Hertz接觸

5、理論和非線性彈簧阻尼模型推導(dǎo)了含間隙傳動(dòng)支鏈的等效模型，建立了運(yùn)動(dòng)副含間隙的并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析驗(yàn)證。
　　建立了考慮非完整約束特性的無人平臺(tái)數(shù)學(xué)模型，為提高此類浮式平臺(tái)的控制性能提供了一種途徑。與現(xiàn)有穩(wěn)定平臺(tái)的模型相比，該模型考慮了負(fù)載與基座之間的耦合，對(duì)系統(tǒng)中的未建模動(dòng)態(tài)進(jìn)行了定量處理，因而更加接近實(shí)際情況。采用虛擬機(jī)構(gòu)法和D-H法劃分平臺(tái)姿態(tài)變換矩陣并使其姿態(tài)角形式與并聯(lián)穩(wěn)定平臺(tái)一致，基于La

6、grange法建立了無人平臺(tái)的整體動(dòng)力學(xué)模型。針對(duì)自由漂浮非完整無人平臺(tái)的流場(chǎng)作用，給出了恢復(fù)力矩的等效解析式和流場(chǎng)耦合項(xiàng)。
　　鑒于該無人平臺(tái)耦合作用較強(qiáng)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制難度較大的問題，對(duì)水面無人平臺(tái)的控制策略進(jìn)行了研究，首先為完整約束無人平臺(tái)設(shè)計(jì)了能普遍適用的工作空間復(fù)合魯棒控制策略。采用了多自由度干擾觀測(cè)器補(bǔ)償系統(tǒng)耦合、參數(shù)攝動(dòng)和干擾對(duì)平臺(tái)的影響，并基于反步法設(shè)計(jì)了滑模控制器抑制未觀測(cè)出的干擾并對(duì)目標(biāo)軌跡實(shí)施跟蹤。對(duì)于非完整約