混合驱动水下滑翔机稳定性控制与路径规划研究

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混合驱动水下滑翔机是一种新型水下航行器。它将传统水下滑翔机功耗低、航程长、工作时间长、隐蔽性高等优点与传统水下自主航行器速度快、机动性好等优点相结合,已经被广泛应用于海洋科学调查,海洋环境观测等业务。开展稳定性控制与路径规划研究,对于混合驱动水下滑翔机的稳定控制与任务规划具有理论与现实的指导意义。本文以天津大学研制的“海燕”混合驱动水下滑翔机为研究对象,建立了其多体动力学模型,分析了运动稳定性,并估计了稳定域的大小。在此基础上,针对滑翔和混合驱动两种模式,设计了“海燕”在纵平面内的线性和非线性控制器,并证明了两种控制器能够最终达到稳定。最后,针对实际任务需求,提出了用于混合驱动水下滑翔机的路径规划方法。本文的主要研究成果和创新点包括:(1)基于多体动力学建模方法,建立了“海燕”混合驱动水下滑翔机的系统动力学模型。该模型考虑了组成滑翔机各单元位置与质量信息,并融合了水动力学特征,可真实反映各单元对整体动力学行为的影响,对同类水下航行器的动力学建模具有参考价值。在此基础上,对混合驱动水下滑翔机在滑翔和混合驱动两种模式下的空间定常螺旋运动进行了仿真分析,对实际的航向控制具有指导意义。(2)利用奇异摄动理论将“海燕”混合驱动水下滑翔机状态变量分为快慢不同的子状态,在对子状态所组成的不同子系统的稳定性证明基础上,利用组合Lyapunov函数方法,证明了“海燕”混合驱动水下滑翔机的运动稳定性,并进一步对其在滑翔和混合驱动两种模式下的稳定域进行了估计。(3)基于非线性动态逆方法,结合反演和Lyapunov函数方法,设计了“海燕”混合驱动水下滑翔机在纵平面内的非线性控制器,确保各闭环子系统能够达到指数稳定,并对滑翔机在滑翔和混合驱动两种模式下的切换策略进行了研究。通过仿真分析,验证了两种模式下控制器切换策略的可行性以及过程的稳定性。(4)在已知海流强弱基础上,提出了一种新的基于差分进化算法和Zermelo最优导航准则的路径规划方法。考虑点到点和受限回廊空间两种实际路径规划情况,解决了“海燕”混合驱动水下滑翔机的路径规划问题。仿真结果表明所提出的路径规划方法能够在两种情况下生成一个海面与海面以下的三维路径,对混合驱动水下滑翔机的实际任务路径规划具有指导意义。
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