【摘要】：水下滑翔機(jī)是一種高效的水下航行器,可以作為海洋觀測平臺搭載多種傳感器實(shí)現(xiàn)水下的多目標(biāo)探測,在海洋研究和軍事領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值,對水下滑翔機(jī)的本體設(shè)計(jì)及理論研究意義重大。水下滑翔機(jī)航程遠(yuǎn)、工作區(qū)域大,但航行速度較低、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性稍差。此外,外部環(huán)境如水流等干擾,通過水動(dòng)力的作用影響滑翔機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與運(yùn)動(dòng)性能。良好的控制與路徑規(guī)劃可以進(jìn)一步提高滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能,保證滑翔機(jī)的長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。探討滑翔機(jī)的水動(dòng)力特性,揭示水動(dòng)力對滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響,可以優(yōu)化滑翔機(jī)的形體設(shè)計(jì)及改善運(yùn)動(dòng)控制效果。本論文對滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究分析,并解決了滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性與高效路徑規(guī)劃問題。在建立的滑翔機(jī)六自由度動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)進(jìn)行多方案研究,實(shí)現(xiàn)了滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的穩(wěn)定切換;以航向改變時(shí)的能耗最小為目標(biāo)函數(shù),基于優(yōu)化理論得到三維空間的滑翔機(jī)能效最優(yōu)路徑;深入研究滑翔機(jī)水動(dòng)力特性,分析水動(dòng)力對滑翔機(jī)的影響;基于理論與經(jīng)驗(yàn)方法,分析滑翔機(jī)各部分特性,設(shè)計(jì)了實(shí)域尺度水下滑翔機(jī),并通過水域試驗(yàn)驗(yàn)證了滑翔機(jī)的性能。通過本論文的工作,實(shí)現(xiàn)水下滑翔機(jī)的穩(wěn)定控制與低能耗路徑規(guī)劃,為滑翔機(jī)機(jī)型研發(fā)與實(shí)際應(yīng)用提供參考。主要完成的研究工作如下:基于牛頓-歐拉法,建立了利用內(nèi)部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)航向的滑翔機(jī)六自由度完整約束動(dòng)力學(xué)模型,并推導(dǎo)了完整的分解表達(dá)式。通過將系統(tǒng)狀態(tài)量約束在穩(wěn)定值,得到了三維穩(wěn)態(tài)盤旋運(yùn)動(dòng)平衡方程,并進(jìn)一步將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)約束在垂直面內(nèi)獲得二維穩(wěn)態(tài)直線運(yùn)動(dòng)平衡方程。對于變量多、等式結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)方程求解情況,利用可獲得全局最優(yōu)解的粒子群算法獲取準(zhǔn)確的模型穩(wěn)態(tài)解,以克服普通數(shù)值方法在求解時(shí)易陷入局部最優(yōu)解的缺陷。在模型與穩(wěn)態(tài)解的基礎(chǔ)上,分析了垂直面內(nèi)二維鋸齒形運(yùn)動(dòng)與三維盤旋運(yùn)動(dòng)兩種穩(wěn)態(tài)滑翔狀態(tài)�；铏C(jī)六自由度模型的建立與穩(wěn)態(tài)值的求解為控制方案的研究、優(yōu)化路徑的設(shè)計(jì)及機(jī)體設(shè)計(jì)分析提供理論基礎(chǔ)。在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,對運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方案研究。首先,設(shè)計(jì)了LQR控制器控制滑翔機(jī)姿態(tài)切換過程,并設(shè)計(jì)了Kalman濾波器反饋系統(tǒng)的完整狀態(tài)量,實(shí)現(xiàn)了滑翔機(jī)的姿態(tài)保持與姿態(tài)角切換控制;其次,利用輸入輸出反饋線性化方法,得到輸入-輸出之間具有線性行為的偽線性系統(tǒng),選擇滑翔角度與速度為被控對象,設(shè)計(jì)了PID控制器控制被控對象的穩(wěn)定變化;再次,考慮到水下滑翔機(jī)擁有復(fù)雜的內(nèi)部動(dòng)態(tài),容易引起運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定,基于Lyapunov穩(wěn)定判據(jù)設(shè)計(jì)非線性控制器控制滑翔機(jī)的俯仰角度切換過程;最后,考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性與控制方法實(shí)施的便宜性因素,設(shè)計(jì)了帶有時(shí)滯環(huán)節(jié)的位置控制器,該控制器以機(jī)體的調(diào)節(jié)角度作為控制目標(biāo),以姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位置為控制對象,以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加速度為直接控制量,該控制器不依賴動(dòng)力學(xué)模型即可計(jì)算出控制量,從而實(shí)現(xiàn)不依賴數(shù)學(xué)模型的黑盒控制。通過仿真實(shí)驗(yàn)研究,對比分析各控制器對滑翔機(jī)角度與執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的控制效果。參考衛(wèi)星的變軌方式,限定水下滑翔機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍,基于優(yōu)化理論,解得了滑翔機(jī)的二維能耗最優(yōu)路徑,獲得的最優(yōu)路徑由最小轉(zhuǎn)彎半徑圓弧與最大轉(zhuǎn)彎半徑兩種圓弧構(gòu)成。在理論研究的基礎(chǔ)上,提出了最優(yōu)路徑的幾何構(gòu)造方法。然后,再將滑翔機(jī)的最優(yōu)路徑拓展到三維空間,針對低位深度、中位深度與高位深度三種深度情況,分別通過選擇合理的不飽和滑翔角度、增大最小轉(zhuǎn)彎半徑與增加盤旋路徑的方法將路徑拓展到三維運(yùn)動(dòng)空間。通過仿真,對比分析了與傳統(tǒng)三維Dubins路徑的區(qū)別,探討了滑翔機(jī)能效最優(yōu)路徑的優(yōu)點(diǎn)。分別從數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測試兩方面展開對滑翔機(jī)的水動(dòng)力特性的深入研究�；谙嗨评碚�,在風(fēng)動(dòng)中測試了一個(gè)水下滑翔機(jī)的六自由度水動(dòng)力力與力矩,試驗(yàn)測量結(jié)果用于研究滑翔機(jī)的水動(dòng)力變化規(guī)律,并用于校正基于RNG k-ε方法得到數(shù)值計(jì)算結(jié)果。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明,CFD計(jì)算結(jié)果可以應(yīng)用于樣機(jī)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)性能研究。此外,通過對比試驗(yàn),研究了滑翔機(jī)的溫度-深度-鹽度(CTD)單元與推進(jìn)器單元兩種附體對機(jī)體阻力產(chǎn)生的影響。分析結(jié)果可為滑翔機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析提供參考。為快速估計(jì)滑翔機(jī)的阻力系數(shù),基于試驗(yàn)測試數(shù)據(jù),擬合得出包含雷諾數(shù)的滑翔機(jī)阻力系數(shù)估計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式,該經(jīng)驗(yàn)公式適用于滑翔機(jī)設(shè)計(jì)階段對阻力的快速估計(jì)。以滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型作為設(shè)計(jì)支撐,并且以成熟的滑翔機(jī)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)作為設(shè)計(jì)輔助,總結(jié)出一套理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的滑翔機(jī)設(shè)計(jì)方法,詳細(xì)分析研究了各滑翔機(jī)各部分的特征。設(shè)計(jì)過程由外殼到內(nèi)部結(jié)構(gòu)層層遞進(jìn):首先,基于滑翔機(jī)理論模型,從穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)的受力平衡角度出發(fā),獲得浮力系統(tǒng)與姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù);再次,基于機(jī)翼理論,分析了適用于水下滑翔機(jī)的機(jī)翼形式與特點(diǎn),結(jié)合經(jīng)典的滑翔機(jī)主殼體外形,通過對三種滑翔機(jī)外形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,得出性價(jià)比最優(yōu)的滑翔機(jī)外形;最后,基于提出的設(shè)計(jì)方法與獲得的設(shè)計(jì)參數(shù),研制一臺實(shí)域尺度水下滑翔機(jī),通過機(jī)構(gòu)調(diào)試與機(jī)體的湖試研究,驗(yàn)證機(jī)體的穩(wěn)定性與所提出的方法的有效性。
【圖文】：

背景占地球表面積的 70.8%，對全球的氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定都有洋中蘊(yùn)含著豐富的資源。包括：礦產(chǎn)、漁業(yè)等自然資源；沉船、海；溫差能、波浪能等自然能源。除此之外，海洋中還有大量的生物這些都迫切需要人類去探索研究。的表面與水下特征主要通過搭載于航空航天平臺或依賴于母船的托以上兩種方式不僅成本高，而且不能很好地探測水下信息。為獲取，需要可以完成特殊任務(wù)的水下載體。纜控水下機(jī)器人(ROV ， Vehicle)主要通過搭載的機(jī)械手與采樣裝置對近母船的目標(biāo)進(jìn)行操作傳統(tǒng)的自主式水下航行器(AUV ，Automated Underwater Vehicle)可區(qū)域的快速機(jī)動(dòng)搜索，但運(yùn)行時(shí)間短。

圖 1-2 水下采樣網(wǎng)絡(luò)Fig.1-2 Underwater sampling network在立體海洋網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖 1-2 所示。翔機(jī)作為水下移動(dòng)平臺，通過搭載不同的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對多種滿足對海洋分析的基本要求。方面，利用滑翔機(jī)可以充分探測溫躍層與鹽層的分布，為水下通提供保障。在戰(zhàn)略方面，中國的南海，東海存在海權(quán)紛爭問題。監(jiān)控、武器網(wǎng)絡(luò)，不僅可以監(jiān)控海洋狀況，而且可以起到威懾作于無可替代的地位，我國是新興的海洋國家，，在已有航區(qū)或北冰翔機(jī)進(jìn)行監(jiān)控有利于保障航運(yùn)安全。水下觀測平臺相比，水下滑翔機(jī)在續(xù)航能力、隱蔽性、造價(jià)方面翔機(jī)研究現(xiàn)狀
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U674.941

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2608212