水下滑翔機(jī)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)控制與路徑規(guī)劃研究.pdf

1、水下滑翔機(jī)作為新興的水下移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)，以其低功耗、長(zhǎng)航程、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)在海洋資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海底偵查等軍事、民用領(lǐng)域表現(xiàn)出了越來(lái)越重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，對(duì)于水下滑翔機(jī)的本體設(shè)計(jì)、理論研究以及實(shí)際應(yīng)用的意義重大。
　　在水下滑翔機(jī)的理論研究過(guò)程中，滑翔機(jī)的穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計(jì)以及路徑規(guī)劃等內(nèi)容都是建立在精確、完整的動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上。本文深入研究了水下滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及動(dòng)力學(xué)建模方法，基于動(dòng)力學(xué)模型闡述了滑翔機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)與執(zhí)行

2、機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系。進(jìn)一步地，對(duì)非線性的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了平衡點(diǎn)線性化展開(kāi)，并根據(jù)線性化模型設(shè)計(jì)了控制器；在非線性動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)的自適應(yīng)反演控制器。將平面內(nèi)的Dubins運(yùn)動(dòng)與滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)相結(jié)合，建立了滑翔機(jī)在三維空間內(nèi)的Dubins運(yùn)動(dòng)模型，并設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的軌跡優(yōu)化方法。在成功研制“海鷗”號(hào)水下滑翔機(jī)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了大量仿真與試驗(yàn)，對(duì)理論研究方法進(jìn)行了初步驗(yàn)證。主要研究工作如下：
　　基于

3、牛頓-歐拉方程，對(duì)具有俯仰-橫滾耦合姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的滑翔機(jī)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模；分別對(duì)滑翔機(jī)的兩種平衡狀態(tài)，即垂直面內(nèi)的鋸齒形運(yùn)動(dòng)和豎直方向的螺旋形運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了穩(wěn)定狀態(tài)分析，在現(xiàn)有螺旋運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)求解方法的基礎(chǔ)上，對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng)下的非線性耦合項(xiàng)進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化與近似，獲得了各個(gè)狀態(tài)量關(guān)于速度的表達(dá)式，并通過(guò)方程組的聯(lián)立求解得到了一種高精度的螺旋運(yùn)動(dòng)數(shù)值求解方法；通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)滑翔機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程以及平衡狀態(tài)求解器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了初步驗(yàn)證。
　　

4、對(duì)滑翔機(jī)的非線性運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了平衡點(diǎn)線性化展開(kāi)，在時(shí)域內(nèi)對(duì)滑翔機(jī)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；在系統(tǒng)完全能控的基礎(chǔ)上，使用LQR和PID兩種線性調(diào)節(jié)器對(duì)滑翔機(jī)的姿態(tài)和速度進(jìn)行控制。針對(duì)滑翔機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了基于Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)的非線性自適應(yīng)反演控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多輸入-多輸出控制，同時(shí)使得滑翔機(jī)能夠在多個(gè)模態(tài)的運(yùn)動(dòng)中自由切換，為滑翔機(jī)軌跡規(guī)劃和路徑優(yōu)化創(chuàng)造了條件。
　　將二維平面內(nèi)的Dubins軌跡問(wèn)題與滑翔機(jī)的運(yùn)

5、動(dòng)特點(diǎn)相結(jié)合，擴(kuò)展到了三維空間中。對(duì)滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)子系統(tǒng)的能量消耗進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，基于遺傳算法設(shè)計(jì)了滑翔機(jī)在三維空間內(nèi)的最優(yōu)運(yùn)動(dòng)策略。通過(guò)對(duì)單個(gè)滑翔機(jī)軌跡優(yōu)化的驗(yàn)證之后，將該優(yōu)化算法擴(kuò)展到了多個(gè)滑翔機(jī)的編隊(duì)優(yōu)化問(wèn)題上，并通過(guò)終點(diǎn)航向角優(yōu)化、終點(diǎn)坐標(biāo)優(yōu)化等案例仿真討論了該優(yōu)化策略的可行性以及適用性，為滑翔機(jī)的實(shí)際布放提供了理論基礎(chǔ)。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了最大下潛深度為500米的“海鷗”號(hào)水下滑翔機(jī)樣機(jī)，對(duì)滑翔