混合驱动水下滑翔器动力学建模及运动控制研究

论文摘要

混合驱动水下滑翔器集成了自主水下航行器、水下滑翔器及剖面浮标的优点,是海洋环境观测和海洋资源探测的重要平台。滑行操作模式下,周期改变自身净浮力和重心位置,借助机翼的液动升力前进,完成海洋中的锯齿形剖面运动,此时具有工作效率高、范围大、噪音低的特点;推进操作模式下,通过螺旋桨的推力快速前进,借助尾舵或内部姿态调节实现转向,完成海洋中的快速穿梭运动,此时具有速度快,机动性高,受海水深度及流速影响小的特点。本文在混合驱动水下滑翔器系统设计的基础上,利用浮基多刚体理论推导了其动力学方程,定制了水动力模型和参数,分析了其机动性与稳定性,完成了三维空间的滑翔运动和推进运动的仿真。而且,本文设计了针对该混合驱动水下滑翔器的神经网络运动控制器,并仿真验证了其稳定性和可行性。本文主要研究成果和创新点为:1.研究设计了首台小型混合驱动水下滑翔器样机,吸收了传统自主水下航行器、典型水下滑翔器和ARGO自持剖面浮标三者的优点。给出了混合驱动滑翔器的设计流程和计算方法,提供了部分单元试验及水域试验的重要数据,为混合驱动水下滑翔器的设计和制作提供参考。2.采用浮基多刚体理论和鱼雷水动力学模型建立混合驱动水下滑翔器的动力学方程。该方程考虑了内部质量的平移和旋转对姿态的控制作用以及高机动性运动时所受水动力的影响。分析了混合驱动水下滑翔器的机动性和稳定性,并给出了设计参数的选择范围,同时完成混合滑翔器在三维空间的推进操作和滑行操作模式下全状态运动仿真。3.针对混合驱动水下滑翔器裁制了基于BP神经网络的动力定位和轨迹跟踪控制方案,并构造李亚普诺夫函数分析了其控制稳定性。同时定制了基于PID神经网络的定深运动,目标跟踪和姿态解耦控制器,仿真验证了控制方法的可行性,提高了自适应控制和容错能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自治潜水器功能与分类
• 1.2.1 传统自主水下航行器
• 1.2.2 ARGO自持剖面浮标
• 1.2.3 典型自主水下滑翔器
• 1.3 混合驱动水下滑翔器的研究现状
• 1.3.1 混合驱动水下滑翔器样机
• 1.3.2 混合驱动水下滑翔器基本特征
• 1.3.3 水下潜器运动与控制研究现状
• 1.4 本课题的来源及意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 混合驱动水下滑翔器系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 总体功能要求及设计目标
• 2.3 混合驱动水下滑翔器总体构建
• 2.3.1 模块化机械结构布局
• 2.3.2 分布式控制架构组成
• 2.4 混合驱动水下滑翔器单元设计计算
• 2.4.1 耐压壳体设计计算
• 2.4.2 浮力驱动分析计算
• 2.4.3 能源计算和姿态调节机构设计
• 2.4.4 射流推进设计计算
• 2.5 混合驱动水下滑翔器动作模块
• 2.6 本章小结
• 第三章 混合驱动水下滑翔器动力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 混合驱动水下滑翔器运动学建模
• 3.2.1 坐标系和运动变量定义
• 3.2.2 姿态描述与坐标变换
• 3.2.3 旋转矩阵与运动学方程
• 3.3 混合驱动水下滑翔器动力学建模
• 3.3.1 浮基多刚体系统假设
• 3.3.2 线动量和角动量定理
• 3.3.3 动力学方程稳态简化
• 3.4 混合驱动水下滑翔器作用力与力矩
• 3.5 混合驱动水下滑翔器水动力模型
• 3.5.1 水下滑翔器水动力学模型
• 3.5.2 鱼雷水动力学模型
• 3.5.3 混合滑翔器水动力学简化
• 3.6 本章小结
• 第四章 混合驱动水下滑翔器行为特征分析
• 4.1 引言
• 4.2 混合驱动水下滑翔器运动模型裁制
• 4.2.1 混合滑翔器PETREL物理结构
• 4.2.2 混合滑翔器PETREL抽象模型
• 4.2.3 混合滑翔器PETREL参数赋值
• 4.3 混合驱动水下滑翔器运动仿真
• 4.4 混合驱动水下滑翔器行为分析
• 4.4.1 混合滑翔器PETREL平衡状态
• 4.4.2 混合滑翔器PETREL机动性能
• 4.5 本章小结
• 第五章 混合驱动水下滑翔器神经网络控制
• 5.1 引言
• 5.2 空间映射与BP神经网络模型
• 5.3 混合驱动水下滑翔器动力定位控制
• 5.3.1 全驱动完整系统动力学方程
• 5.3.2 动力定位控制模型
• 5.3.3 李亚普诺夫稳定性分析
• 5.4 混合驱动水下滑翔器轨迹跟踪控制
• 5.4.1 欠驱动非完整系统动力学方程
• 5.4.2 轨迹跟踪控制模型
• 5.4.3 李亚普诺夫稳定性分析
• 5.5 混合水下滑翔器导航策略及仿真
• 5.5.1 定深运动控制模型
• 5.5.2 移动目标跟踪控制
• 5.5.3 X舵姿态解耦运动控制
• 5.6 本章小结
• 第六章 混合驱动水下滑翔器实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 混合驱动水下滑翔器单元模块试验
• 6.2.1 压力壳体变形失稳实验
• 6.2.2 ARM7 核心控制节点调试
• 6.2.3 横滚和俯仰机构调控试验
• 6.2.4 浮力驱动系统单元试验
• 6.2.5 模型水动力CFD仿真试验
• 6.2.6 转向尾舵与螺旋桨推进器
• 6.3 混合驱动水下滑翔器水域功能试验
• 6.4 潜标系统南海剖面功能试验
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 论文收录情况
• 专利申请情况
• 参与科研项目
• 致谢