洋流影響下的水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)分析與控制器設(shè)計(jì)研究.pdf

1、水下滑翔機(jī)作為水下移動(dòng)平臺(tái)，以其運(yùn)動(dòng)噪聲低、造價(jià)低及續(xù)航能力強(qiáng)的航行優(yōu)勢(shì)，在海洋環(huán)境研究、海洋資源探測(cè)和海底偵察等民用和軍事領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于水下滑翔機(jī)的理論和應(yīng)用研究意義重大。
　　為了充分認(rèn)識(shí)水下滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)行為，本文研究了水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模方法，基于模型采用參數(shù)化的分析方法，闡述了滑翔機(jī)的幾何特征與其運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性之間的關(guān)系，為滑翔機(jī)的幾何特征參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。海洋環(huán)境復(fù)雜，水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)容易受到洋流

2、的影響，本文進(jìn)一步建立了洋流影響下的水下滑翔機(jī)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析洋流對(duì)水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響。并基于模型分別設(shè)計(jì)控制器和觀測(cè)器，進(jìn)行滑翔機(jī)姿態(tài)控制和洋流速度梯度觀測(cè)。在成功研制ZJUGlider樣機(jī)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展水域試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)研究，對(duì)理論研究方法進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。主要研究工作如下:
　　基于牛頓-歐拉方程，通過(guò)增設(shè)質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)系，建立了完整的通過(guò)內(nèi)部偏心重物平移和旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)水下滑翔機(jī)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型;同時(shí)建立了通過(guò)內(nèi)部

3、平移重物和尾舵來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)滑翔機(jī)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，為ZJUGlider的運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性分析提供必要的研究基礎(chǔ)。進(jìn)一步地，基于拉格朗日方程和“偽坐標(biāo)”的概念，建立了洋流影響下的水下滑翔機(jī)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，模型中考慮了洋流速度和速度梯度對(duì)水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)行為的影響，為洋流中水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)及控制器和觀測(cè)器設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。
　　依據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)理論，本文對(duì)水下滑翔機(jī)的幾何特征進(jìn)行了參數(shù)化定義，分析了水下滑翔機(jī)的水動(dòng)力特性，分別通過(guò)

4、計(jì)算流體力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，簡(jiǎn)稱CFD）數(shù)值計(jì)算方法和解析法求解ZJUGlider的粘性和非粘性水動(dòng)力系數(shù)。基于ZJUGlider的動(dòng)力學(xué)模型和水動(dòng)力模型，分別對(duì)其縱剖面鋸齒形穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，討論幾何特征對(duì)兩種運(yùn)動(dòng)的性能和穩(wěn)定性的影響，為水下滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。并以對(duì)比仿真的方式，對(duì)于特定洋流中水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析洋流對(duì)滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)行為的影響，為水下滑翔機(jī)的航行參數(shù)

5、選擇提供指導(dǎo)。
　　設(shè)計(jì)基于前饋/反饋環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制器，通過(guò)編寫穩(wěn)態(tài)解算器獲得前饋環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。首先對(duì)水下滑翔機(jī)在靜水中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)控制能力進(jìn)行仿真驗(yàn)證，然后對(duì)水下滑翔機(jī)在特定洋流中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)控制性能進(jìn)行討論。在此基礎(chǔ)上，闡述了水下滑翔機(jī)順流運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方法，借助洋流的作用提高滑翔機(jī)的續(xù)航范圍。將洋流速度梯度看作滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)量，基于線性增廣系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)龍伯格(Luenberger)狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洋流速度梯度的有效

6、估計(jì)。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，研制了最大下潛深度為200m的水下滑翔機(jī)樣機(jī)ZJUGlider。水域試驗(yàn)表明樣機(jī)性能穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能，具備作為移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行淺海海洋環(huán)境探測(cè)的能力。并基于樣機(jī)開(kāi)展仿真試驗(yàn)研究，對(duì)順流運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。
　　本研究對(duì)水下滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)建模、穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)定性分析進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并對(duì)洋流影響下的水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)控制器和洋流特征觀測(cè)器設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的探