近水面AUV垂直面姿態(tài)與節(jié)能的綜合控制策略研究.pdf

1、隨著人類加大對(duì)海洋資源的開發(fā)和探索，小型水下海洋運(yùn)載器（AUV）因其能用于深海的探索和開發(fā)被各海洋大國所重視。各國開始加大對(duì)小型水下海洋運(yùn)載器的研究和生成。由于 AUV體積比較小，它攜帶的能量有限，因此如何提高 AUV的續(xù)航能力是一個(gè)很重要的課題。
　　AUV在近水面作業(yè)時(shí)，由于海洋環(huán)境的干擾，致使AUV的姿態(tài)和推進(jìn)器的推進(jìn)性能受到影響。本文對(duì)由于垂直面姿態(tài)變化導(dǎo)致的阻力增值、近水面AUV的阻力、敞水螺旋槳以及螺旋槳與艇的相互影響

2、進(jìn)行預(yù)報(bào)，分析由于海浪造成的螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩?fù)p失的大小。使用線性二次型控制方法對(duì)AUV的垂直面姿態(tài)和能耗進(jìn)行綜合控制，減小系統(tǒng)的能源消耗，提高AUV的續(xù)航能力。
　　本文首先根據(jù)牛頓力學(xué)定理和流體力學(xué)知識(shí)建立AUV的六自由度數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其在某種條件下進(jìn)行線性化，然后化簡(jiǎn)出用狀態(tài)空間形式表示的垂直面運(yùn)動(dòng)模型，使用MATLAB軟件判斷垂直面運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可控、可觀測(cè)性。由于本文研究的是工作在近水面的 AUV，因此要對(duì)近水面

3、AUV受到的干擾力和力矩進(jìn)行分析，利用Morison方程建立 AUV受到的海浪干擾力和力矩的方程，并且根據(jù)長(zhǎng)峰波海浪的仿真原理，運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)波浪產(chǎn)生的干擾力和干擾力矩進(jìn)行仿真分析。
　　其次，用GAMBIT畫出AUV的模型，使用Fluent對(duì)靜水中AUV受到的阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)。在此基礎(chǔ)上，使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)縱搖和阻力的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算分析，擬合出縱搖姿態(tài)和阻力增值的關(guān)系；對(duì)近水面的 AUV受到的阻力進(jìn)行預(yù)報(bào)，計(jì)算出 AUV的興波阻

4、力。使用Fluent對(duì)螺旋槳的敞水性能、槳與艇之間的影響進(jìn)預(yù)報(bào)，結(jié)合阻力和螺旋槳的敞水性能曲線計(jì)算出自航點(diǎn)，然后計(jì)算出螺旋槳的伴流系數(shù)和推力減額系數(shù)。分析波浪中螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的損失。
　　最后使用線性二次型最優(yōu)控制方法對(duì)AUV垂直面姿態(tài)和擺舵最小消耗進(jìn)行綜合控制，使用遺傳算法對(duì)狀態(tài)量和輸入量的加權(quán)矩陣進(jìn)行優(yōu)化。使用線性二次型控制方法不僅考慮了傳統(tǒng)性能指標(biāo)，即控制AUV的垂直面姿態(tài)，還考慮了由于垂直面姿態(tài)改變?cè)斐傻哪芰肯摹?duì)控制