洋流影響下的水下滑翔機動力學建模、運動分析與控制器設計研究.pdf

1、水下滑翔機作為水下移動平臺，以其運動噪聲低、造價低及續(xù)航能力強的航行優(yōu)勢，在海洋環(huán)境研究、海洋資源探測和海底偵察等民用和軍事領域有著廣闊的應用前景，對于水下滑翔機的理論和應用研究意義重大。
　　為了充分認識水下滑翔機的動力學行為，本文研究了水下滑翔機動力學建模方法，基于模型采用參數(shù)化的分析方法，闡述了滑翔機的幾何特征與其運動性能和穩(wěn)定性之間的關系，為滑翔機的幾何特征參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。海洋環(huán)境復雜，水下滑翔機的運動容易受到洋流

2、的影響，本文進一步建立了洋流影響下的水下滑翔機多體系統(tǒng)動力學模型，分析洋流對水下滑翔機運動的影響。并基于模型分別設計控制器和觀測器，進行滑翔機姿態(tài)控制和洋流速度梯度觀測。在成功研制ZJUGlider樣機的基礎上，開展水域試驗和仿真試驗研究，對理論研究方法進行了初步的驗證。主要研究工作如下:
　　基于牛頓-歐拉方程，通過增設質(zhì)點坐標系，建立了完整的通過內(nèi)部偏心重物平移和旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)水下滑翔機多體系統(tǒng)動力學模型;同時建立了通過內(nèi)部

3、平移重物和尾舵來實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)滑翔機多體系統(tǒng)動力學模型，為ZJUGlider的運動性能和穩(wěn)定性分析提供必要的研究基礎。進一步地，基于拉格朗日方程和“偽坐標”的概念，建立了洋流影響下的水下滑翔機多體系統(tǒng)動力學模型，模型中考慮了洋流速度和速度梯度對水下滑翔機動力學行為的影響，為洋流中水下滑翔機的運動預測及控制器和觀測器設計做好準備。
　　依據(jù)飛機設計理論，本文對水下滑翔機的幾何特征進行了參數(shù)化定義，分析了水下滑翔機的水動力特性，分別通過

4、計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，簡稱CFD）數(shù)值計算方法和解析法求解ZJUGlider的粘性和非粘性水動力系數(shù)?；赯JUGlider的動力學模型和水動力模型，分別對其縱剖面鋸齒形穩(wěn)態(tài)運動和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)彎運動進行分析，討論幾何特征對兩種運動的性能和穩(wěn)定性的影響，為水下滑翔機的設計提供理論依據(jù)。并以對比仿真的方式，對于特定洋流中水下滑翔機的運動進行預測，分析洋流對滑翔機動力學行為的影響，為水下滑翔機的航行參數(shù)

5、選擇提供指導。
　　設計基于前饋/反饋環(huán)節(jié)的運動控制器，通過編寫穩(wěn)態(tài)解算器獲得前饋環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)運動參數(shù)。首先對水下滑翔機在靜水中運動的姿態(tài)控制能力進行仿真驗證，然后對水下滑翔機在特定洋流中運動的姿態(tài)控制性能進行討論。在此基礎上，闡述了水下滑翔機順流運動控制的實現(xiàn)方法，借助洋流的作用提高滑翔機的續(xù)航范圍。將洋流速度梯度看作滑翔機運動的擾動量，基于線性增廣系統(tǒng)模型，設計龍伯格(Luenberger)狀態(tài)觀測器，實現(xiàn)了對洋流速度梯度的有效

6、估計。
　　在理論研究的基礎上，研制了最大下潛深度為200m的水下滑翔機樣機ZJUGlider。水域試驗表明樣機性能穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了預期的設計功能，具備作為移動觀測平臺進行淺海海洋環(huán)境探測的能力。并基于樣機開展仿真試驗研究，對順流運動控制的實現(xiàn)方法進行了初步的驗證。
　　本研究對水下滑翔機的動力學建模、穩(wěn)態(tài)運動性能和穩(wěn)定性分析進行了系統(tǒng)的研究，并對洋流影響下的水下滑翔機動力學建模、運動控制器和洋流特征觀測器設計進行了一定的探