陀螺效應(yīng)作用下水下航行體建模與運(yùn)動(dòng)控制方法研究.pdf

1、當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置的旋轉(zhuǎn)軸在慣性空間中改變方向時(shí)，其上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的科氏力形成一個(gè)相對(duì)質(zhì)心的慣性力矩，即陀螺力矩，陀螺力矩產(chǎn)生的效應(yīng)稱之為陀螺效應(yīng)。陀螺效應(yīng)作用下的水下航行體，有以下兩種情況：第一種情況是對(duì)裝具有旋轉(zhuǎn)裝置的水下航行體（如潛艇），其陀螺效應(yīng)會(huì)影響航行體預(yù)期的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此此類陀螺效應(yīng)對(duì)于水下航行體來說是一種干擾量，需要加以抑制；第二種情況是通過在水下航行體上裝備旋轉(zhuǎn)裝置并通過控制其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來產(chǎn)生控制力矩，從而控制水下航行體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2、無論是前者或著后者，對(duì)于保證和改進(jìn)航行體的性能都是十分有意義的。
　　本文將陀螺效應(yīng)作用下的水下航行體看作多剛體系統(tǒng)，運(yùn)用動(dòng)量和動(dòng)量矩定理，在充分考慮水動(dòng)力的情況下，建立了動(dòng)力學(xué)方程；特別的，考慮到基于控制力矩陀螺群（Control Moment Gyro System,CMGs）的小型水下航行體可能作大姿態(tài)角機(jī)動(dòng)，在建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程時(shí)引入了四元數(shù)，以避免利用歐拉轉(zhuǎn)角建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程時(shí)所出現(xiàn)的奇異狀況。
　　在進(jìn)行某新型安裝于

3、潛艇上的旋轉(zhuǎn)裝備的研制時(shí)，要求該裝備在潛艇潛航時(shí)保持旋轉(zhuǎn)，且其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大。本文分析了陀螺效應(yīng)對(duì)潛艇運(yùn)動(dòng)特性的影響。分析表明：旋轉(zhuǎn)裝置的角速度加深了潛艇垂直面運(yùn)動(dòng)和水平面運(yùn)動(dòng)之間的耦合，旋轉(zhuǎn)裝置的角加速度對(duì)潛艇橫搖具有較大的影響。在此基礎(chǔ)上，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制算法分別設(shè)計(jì)了潛艇的航向控制器和深度控制器，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：(1)無論潛艇處于哪種機(jī)動(dòng)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)裝置的角加速度對(duì)其橫傾角的影響都很大，特別是潛艇在作變向旋回運(yùn)動(dòng)且陀

4、螺裝置又以較大的加速度旋轉(zhuǎn)時(shí)。因此當(dāng)潛艇既需要改變航向，又需要將旋轉(zhuǎn)裝置加速到指定的速度時(shí)，宜將上述兩個(gè)動(dòng)作分時(shí)完成。即先對(duì)潛艇進(jìn)行變向操縱，待變向完成后再加速旋轉(zhuǎn)裝置至指定的速度。這樣將避免因變向引起的橫傾角與因旋轉(zhuǎn)裝置的加、減速引起的橫傾角的疊加；(2)陀螺效應(yīng)作用下的潛艇在作變向機(jī)動(dòng)時(shí)，要特別注意深度的控制，否則很有可能出現(xiàn)大的超調(diào)；(3)對(duì)于潛艇航向的操縱與控制，可以忽略陀螺效應(yīng)的影響；(4)設(shè)計(jì)的控制器控制效果良好，能夠很好地

5、抑制陀螺效應(yīng)所帶來的干擾。
　　針對(duì)提高小型水下航行體的水下機(jī)動(dòng)能力的需求，本文研究了采用內(nèi)置式姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)—控制力矩陀螺群(CMGs)的陀螺效應(yīng)去控制水下航行體姿態(tài)的方法。分別分析了CMGs的力矩輸出原理，力矩放大原理及奇異原理。針對(duì)基于CMGs的小型水下航行體，考慮水動(dòng)力，設(shè)計(jì)了航行體的姿態(tài)控制器。
　　將帶零運(yùn)動(dòng)的CMGs操縱律和廣義加權(quán)魯棒偽逆操縱律的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種混合的CMGs操縱律。考慮CMGs框架

6、伺服特性建立了框架伺服系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，并設(shè)計(jì)伺服控制律。將設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制器，CMGs操縱律，伺服控制律集成在一起進(jìn)行了聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果表明：(1)基于CMGs的水下航行體在零動(dòng)量狀態(tài)下可進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，且回轉(zhuǎn)半徑基本為零。(2)采用歐拉四元數(shù)法來建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)方式是適合基于CMGs的水下航行體的。(3)CMGs作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制航行體的姿態(tài)具有可行性。
　　研制了基于 CMGs的水下航行體樣機(jī)。包括航行體殼體，姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控