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飞翼式水下滑翔机动力学分析与控制策略研究

王子豪  
【摘要】:水下滑翔机是一种造价低、噪声小、续航能力强的智能水下机器人,在海洋环境研究、海洋资源探测等方面有着广阔的应用前景。常规水下滑翔机的外形由回转体艇身、水平翼、附体组成,由于运动时艇体几乎不产生升力,所以其滑翔比受到了限制。飞翼式水下滑翔机是一种特殊架构的水下滑翔机,通过将艇体隐藏在水翼中构成翼身一体架构,从而使整体翼身产生升力,获得更大的滑翔比。由于水下滑翔机的水动力特征会影响其运动特性,为了充分了解其动力学行为与控制特性,本文针对飞翼式水下滑翔机进行了动力学分析与控制策略研究。首先基于牛顿-欧拉方程,对飞翼式水下滑翔机建立了两种动力学模型,一种是用于稳态分析、运动性能预报的稳态分析模型;另一种是用于运动实时仿真、控制器设计的控制器设计模型。在此过程中,考虑了飞翼式水下滑翔机前后非对称的因素,以及调节过程中浮力调节装置位于艏部对载体姿态的影响。基于动力学模型,研究了飞翼式水下滑翔机空间、纵向平面内的稳态运动分析方法。以“科星Ⅲ”号原理样机为研究对象,介绍了模型参数的求解过程,提出了考虑空间耦合影响的粘性类水动力拟合公式。然后对稳态滑翔运动进行分析预报,从而建立速度、攻角、俯仰角与净浮力、重心纵向位置的关系,对飞翼式水下滑翔机的动力学特性进行了总结。预报结果表明飞翼式水下滑翔机可以实现大滑翔比的高效运动。针对水下滑翔机在运动过程中存在控制延时的特点,结合模糊技术和S控制法,设计了一种基于T-S推理的模糊非线性PD控制器。对纵向平面的滑翔轨迹控制进行仿真试验,分别与S面控制器和PID控制器进行了比较,结果证明了模糊非线性PD控制器的优越性。最终,在理论研究基础上,设计了运动控制系统,并成功的应用于“科星Ⅲ”号原理样机上。基于样机展开的水池试验研究,试验结果验证了动力学模型运动性能预报的有效性。本文通过理论结合试验研究,揭示了飞翼式水下滑翔机的运动特性,为其实际应用奠定了坚实的基础。


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