發(fā)布時(shí)間：2017-08-17 17:03

  本文關(guān)鍵詞：混合型水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)控制與水下接駁技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 混合型水下滑翔機(jī) 可擺動(dòng)推進(jìn)器 水下接駁 操縱性 穩(wěn)態(tài)滑翔 性能評(píng)估 運(yùn)動(dòng)控制

【摘要】：將水下自主航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)通過(guò)水下接駁技術(shù)與海底觀測(cè)網(wǎng)結(jié)合起來(lái),可以組成立體的海洋觀測(cè)系統(tǒng),但是由于AUV單次充電后的續(xù)航能力還是有限的,使得這個(gè)立體觀測(cè)的區(qū)域相對(duì)于廣闊的海洋還是有限的。這就需要有一種探測(cè)工具,在單次充電后具有更長(zhǎng)的續(xù)航能力,能夠探測(cè)更廣闊的范圍。針對(duì)該需求,同時(shí)考慮到混合型水下滑翔機(jī)(Hybrid Underwater Glider, HUG)兼具常規(guī)水下滑翔機(jī)航程遠(yuǎn)和AUV機(jī)動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn),本文面向海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò),設(shè)計(jì)可用于水下自主接駁的混合型水下滑翔機(jī),并研究其動(dòng)力學(xué)建模、運(yùn)動(dòng)控制,以及與水下接駁相關(guān)的回塢導(dǎo)航技術(shù),最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證HUG接駁可行性以及相關(guān)算法。根據(jù)上述研究目標(biāo),本文提出并設(shè)計(jì)了一種利用可擺動(dòng)推進(jìn)器推進(jìn)和轉(zhuǎn)向的新式混合型水下滑翔機(jī),并對(duì)其進(jìn)行建模研究,在建模中提出了液壓油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精確建模方法,較為精確地描述了浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)航行器凈重及質(zhì)心的影響。在建立的HUG動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,用仿真方式對(duì)比了液壓油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精確建模方法與常用的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡(jiǎn)化建模方法,得出結(jié)論：本文提出的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型更精確地描述了浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)航行器凈重及質(zhì)心的影響,可以更好地用于HUG的運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。此外,還通過(guò)仿真評(píng)估了HUG的水平航行和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能,分析了縱剖面的穩(wěn)態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)控制方面,通過(guò)對(duì)比PID控制和模糊控制的實(shí)現(xiàn)方式和特點(diǎn),選用了適用于HUG航向控制的算法——模糊PID復(fù)合控制。針對(duì)縱剖面滑翔運(yùn)動(dòng)的滑翔角控制問(wèn)題,基于前饋／反饋控制原理,提出了一種基于模型擬合公式的前饋預(yù)測(cè)方法和滑翔角估計(jì)方法,相對(duì)于前人的方法,減少了計(jì)算量,同時(shí)提高了滑翔角的控制精度。針對(duì)混合型水下滑翔機(jī)速度低,容易受洋流影響的特點(diǎn),提出一種接駁站可主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的接駁系統(tǒng)方案,在此基礎(chǔ)上,提出了一種引導(dǎo)HUG入塢的洋流補(bǔ)償跟蹤算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)洋流影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)保持目標(biāo)接駁站在HUG的視線范圍內(nèi),該算法可以增加HUG入塢過(guò)程中對(duì)洋流影響的魯棒性�？紤]到試驗(yàn)的方便性,本文另外設(shè)計(jì)了一款與面向?qū)嵑?yīng)用的ZJU-HUG相似的小型混合型水下滑翔機(jī)(取名Mini-HUG)作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?用于算法和模型驗(yàn)證。在前面建模分析和算法研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了HUG的試驗(yàn)研究和分析。針對(duì)Mini-HUG,開(kāi)展了性能評(píng)估、航向控制算法及接駁算法的驗(yàn)證試驗(yàn),充分發(fā)揮了它作為算法和模型驗(yàn)證平臺(tái)的作用；針對(duì)面向?qū)嵑?yīng)用的ZJU-HUG,開(kāi)展了性能評(píng)估試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,具有可擺動(dòng)推進(jìn)器的新型HUG,跟常規(guī)僅采用舵轉(zhuǎn)向的HUG相比,具有更好的操縱性,并且在低速下還能夠保持較好的轉(zhuǎn)向特性,此外,試驗(yàn)還驗(yàn)證了HUG模型的準(zhǔn)確性、航向控制算法的有效性以及HUG接駁的可行性。
【關(guān)鍵詞】：混合型水下滑翔機(jī) 可擺動(dòng)推進(jìn)器 水下接駁 操縱性 穩(wěn)態(tài)滑翔 性能評(píng)估 運(yùn)動(dòng)控制
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242;TP273
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-20
• 1. 緒論20-38
• 1.1 研究背景及意義20-24
• 1.1.1 研究背景20-22
• 1.1.2 研究意義22-24
• 1.2 混合型水下滑翔機(jī)研究現(xiàn)狀24-30
• 1.3 相關(guān)理論研究現(xiàn)狀30-35
• 1.3.1 混合型水下滑翔機(jī)建模和控制研究現(xiàn)狀30-31
• 1.3.2 水下航行器水下接駁技術(shù)研究現(xiàn)狀31-35
• 1.4 研究?jī)?nèi)容35-37
• 1.5 本章小結(jié)37-38
• 2. 混合型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模38-60
• 2.1 引言38
• 2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)38-41
• 2.2.1 總體設(shè)計(jì)目標(biāo)38-39
• 2.2.2 系統(tǒng)布局與組成39-40
• 2.2.3 可擺動(dòng)推進(jìn)器的設(shè)計(jì)40-41
• 2.3 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型41-45
• 2.3.1 液壓油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模42-44
• 2.3.2 活塞排水式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模44-45
• 2.4 混合型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模45-55
• 2.4.1 混合型水下滑翔機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成46
• 2.4.2 坐標(biāo)系建立46-48
• 2.4.3 動(dòng)學(xué)方程48-49
• 2.4.4 混合型水下滑翔機(jī)水動(dòng)力特性49-50
• 2.4.5 可擺動(dòng)推進(jìn)器引起的力和力矩50-51
• 2.4.6 動(dòng)力學(xué)模型51-55
• 2.5 考慮洋流影響的混合型水下滑翔機(jī)動(dòng)力學(xué)建模55-57
• 2.5.1 洋流影響下的HUG運(yùn)動(dòng)學(xué)方程56
• 2.5.2 洋流中的HUG動(dòng)力學(xué)模型56-57
• 2.6 混合型水下滑翔機(jī)水動(dòng)力特性仿真計(jì)算57-58
• 2.7 本章小結(jié)58-60
• 3. 混合型水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真與分析60-74
• 3.1 引言60
• 3.2 不同浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模方法仿真分析60-63
• 3.3 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的布局對(duì)HUG性能影響分析63-64
• 3.4 運(yùn)動(dòng)仿真和性能分析64-72
• 3.4.1 水平直航仿真64-65
• 3.4.2 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)性能評(píng)估65-67
• 3.4.3 縱剖面穩(wěn)態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)仿真與分析67-72
• 3.5 本章小結(jié)72-74
• 4. 混合型水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)控制方法研究74-90
• 4.1 引言74
• 4.2 AUV模式下的航向控制方法研究74-78
• 4.2.1 PID控制74-76
• 4.2.2 模糊控制76-77
• 4.2.3 基于模糊PID的航向控制77-78
• 4.3 AUV模式下回轉(zhuǎn)速率控制策略78-80
• 4.3.1 帶有慣導(dǎo)場(chǎng)合的回轉(zhuǎn)速率控制策略78-79
• 4.3.2 不帶有慣導(dǎo)場(chǎng)合的回轉(zhuǎn)速率控制策略79-80
• 4.4 Glider模式下的縱剖面的穩(wěn)態(tài)滑翔運(yùn)動(dòng)控制80-88
• 4.4.1 縱剖面滑翔速度控制81
• 4.4.2 縱剖面滑翔路徑控制81-88
• 4.5 Glider模式下的航向控制88
• 4.6 本章小結(jié)88-90
• 5. 洋流影響下的水下接駁技術(shù)研究90-116
• 5.1 引言90
• 5.2 水下接駁概述及回塢導(dǎo)航策略90-94
• 5.2.1 水下接駁站分類90-91
• 5.2.2 水下接駁站坐標(biāo)系91-92
• 5.2.3 入塢接駁問(wèn)題數(shù)學(xué)描述92-93
• 5.2.4 塢導(dǎo)航總體策略93-94
• 5.3 考慮洋流影響的面向單向型接駁站的回塢引導(dǎo)算法94-100
• 5.3.1 面向單向型接駁站的接駁策略94-95
• 5.3.2 考慮洋流影響的水下接駁狀態(tài)方程描述95-96
• 5.3.3 考慮洋流影響的水下接駁引導(dǎo)算法96-99
• 5.3.4 算法仿真分析99-100
• 5.4 利用主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的接駁站實(shí)現(xiàn)HUG的水下接駁100-113
• 5.4.1 可主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的接駁站101-102
• 5.4.2 基于可主動(dòng)旋轉(zhuǎn)接駁站的近端入塢引導(dǎo)算法分析102-107
• 5.4.3 補(bǔ)償洋流的跟蹤算法107-111
• 5.4.4 接駁站主動(dòng)旋轉(zhuǎn)策略111-113
• 5.5 接駁失敗后的應(yīng)對(duì)策略113-114
• 5.6 本章小結(jié)114-116
• 6. 混合型水下滑翔機(jī)試驗(yàn)研究與分析116-140
• 6.1 引言116
• 6.2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)116-120
• 6.2.1 小型混合型水下滑翔機(jī)(Mini-HUG)設(shè)計(jì)116-119
• 6.2.2 通信及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)119-120
• 6.3 混合型水下滑翔機(jī)性能評(píng)估試驗(yàn)120-128
• 6.3.1 Mini-HUG的千島湖滑翔模式測(cè)試120-123
• 6.3.2 Mini-HUG的水池螺旋轉(zhuǎn)彎滑翔測(cè)試123-124
• 6.3.3 Mini-HUG的操縱性能評(píng)估試驗(yàn)124-126
• 6.3.4 ZJU-HUG的性能評(píng)估試驗(yàn)126-128
• 6.4 Mini-HUG航向控制算法試驗(yàn)研究128-133
• 6.4.1 航向PID控制參數(shù)整定129-131
• 6.4.2 不同航向控制算法對(duì)比131-133
• 6.5 Mini-HUG的水下接駁試驗(yàn)133-138
• 6.5.1 固定接駁站的接駁試驗(yàn)133-135
• 6.5.2 基于主動(dòng)旋轉(zhuǎn)接駁站的接駁試驗(yàn)135-138
• 6.5.3 水下接駁試驗(yàn)總結(jié)138
• 6.6 本章小結(jié)138-140
• 7. 總結(jié)與展望140-143
• 7.1 論文工作總結(jié)140-141
• 7.2 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)141
• 7.3 展望141-143
• 參考文獻(xiàn)143-150
• 科研成果150
• 攻讀博士學(xué)位期間獲得的科研成果150
• 參與的主要科研項(xiàng)目150

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：690112