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基于灵敏度分析的水下滑翔机最优能耗设计方法研究

宋扬  
【摘要】:水下滑翔机作为一种移动观测平台,由于其较强的隐蔽性和续航能力,被广泛应用于军事探测和海洋调查领域。目前水下滑翔机多使用电池作为能量来源,通过浮力驱动和姿态调节实现锯齿状滑翔运动,能源携带量和能耗成为水下滑翔机作业时间和续航能力的决定性因素。因此,低功耗技术的研究对于扩展水下滑翔机应用范围,提升其使用价值具有重要意义。为充分认识水下滑翔机能耗情况,掌握其续航能力,本文基于天津大学自主研发的Petrel-II水下滑翔机,研究了多个参数与单剖面能耗和航程的关系,对大量参数进行了灵敏度分析,辨识出关键参数,并对其进行了优化,给出了单剖面能耗最优解和航程最优解。研究结果将为水下滑翔机航行参数的设定和结构设计提供理论指导。本文主要研究成果和创新点为:(1)基于牛顿-欧拉方程建立了水下滑翔机动力学模型,结合工作流程和实验数据,分析了Petrel-II各子单元的能耗,综合形成了纵平面稳态运动下的单剖面能耗模型,通过海试数据验证了模型的准确性。为使模型更加完整,加入横滚调节产生的能耗,对模型进行了修正,建立了三维运动下的能耗模型,并由此推导出航程模型。(2)根据理论计算和数据统计,确定了待分析参数的取值范围和分布方式,采用Sobol’全局灵敏度分析方法,得到了包括航行参数、水动力系数和控制参数在内的14个参数对滑翔机单剖面能耗和航程的一阶灵敏度系数和总灵敏度系数,量化了参数变化对能耗和航程的影响程度。通过计算不同规模样本下的灵敏度系数,给出了结果收敛时较优的样本数量。(3)根据灵敏度分析结果,选取关键参数,采用遗传算法,分别求解了单剖面能耗和航程最优值,并给出了对应参数的解,验证了遗传算法的可行性。在当前Petrel-II水下滑翔机的设计约束下,分析了下潜深度、航行速度和滑翔角与单剖面能耗及航程之间的关系,得到了相应的最优参数值。研究结果将在Petrel-II精细化观测和长航程任务方面提供理论指导。


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