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水下热滑翔机的运动控制和姿态调节

作　者: 孙启
导　师: 马捷
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: 水下热滑翔机动力学模型非线性控制姿态调节
分类号: U674.941
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

水下热滑翔机是一种新型的水下自主式运载器，具有体积小、能耗低、噪声小、无污染等优点，在海洋科学考查、资源探测、地形测量、环境监控以及军事经济领域有着广泛的应用前景。本文通过对水下热滑翔机各个模块质量的定义，利用Kirchhoff方程、滑翔机机体运动方程、内部调节质量块运动方程、压载水囊运动方程，基于Newton-Euler理论建立了包含压载水囊质量变化、内部调节质量块运动和水下热滑翔机运动的六自由度模型。该模型中包含有独立的表述压载水囊质量变化和调节质量运动的方程，有利于单独研究压载水囊和调节质量与滑翔机机体间的相互作用。通过对以建立的运动模型进行非线性反馈变换，为内部调节质量提供悬架系统，使它的运动被限制在滑翔机机体的有限空间内。通过水下热滑翔机在纵向平面内的动力学分析，研究滑翔机内部调节质量、压载水囊和滑翔机机体之间的力、速度和加速度的关系，揭示水下热滑翔机运动系统的内在本质。通过小扰动线性化方法，分析了水下热滑翔机纵向平面内运动的稳定性和可控性，并设计了用于平衡滑翔时的线性二次调节器；将水下热滑翔机两稳态点之间的转换视作两点边值问题，基于新的非线性系统前馈控制设计方法，设计了用于浮潜（潜伏）切换控制的非线性前馈控制器。并通过纵向平面内的运动仿真结果验证了理论分析的正确性。本文还在理论分析的基础上，设计了试验用的水下热滑翔机样机，分别完成了水密耐压壳体、姿态调节系统机械机构、电控系统、调试软件的设计。为有效地利用了机身的装载空间，对各个功能模块的质量分配和空间布置进行合理的分配。基于薄壁圆筒校核理论，对壳体厚度进行计算校核，并通过壳体耐压密封试验验证了设计了合理性。本文分别完成了俯仰调节机械结构和横滚调节机械机构的调节性能测试。实验结果显示，所设计系统满足调节精度要求。为了检测所设计的水下热滑翔机姿态调节机构的调节性能，本文还设计了基于海洋温跃层模拟水池的水下热滑翔机样机试验系统，分别完成了不同调节速度下俯仰角和横滚角的调节性能试验，为水下热滑翔机的控制研究提供了试验依据。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-13
图录  13-15
表录  15-16
第一章绪论  16-27
  1.1 课题背景及研究意义  16-17
    1.1.1 课题背景  16-17
    1.1.2 研究意义  17
  1.2 国内外研究发展进程与现状  17-20
    1.2.1 国外水下热滑翔机的发展与现状  17-19
    1.2.2 国内水下热滑翔机发展现状  19-20
    1.2.3 水下热滑翔机的控制研究现状  20
  1.3 水下热滑翔机的工作原理  20-21
  1.4 水下热滑翔机的技术难点  21-23
  1.5 本文的主要工作内容和创新点  23-26
    1.5.1 本文的主要工作内容  23-24
    1.5.2 本文的主要创新点  24-26
  1.6 本文的组织结构  26-27
第二章水下热滑翔机动力学建模  27-44
  2.1 水下热滑翔机质量和坐标系  27-30
    2.1.1 质量分布  27-28
    2.1.2 参考坐标系  28-30
  2.2 水下热滑翔机运动学分析  30-31
  2.3 水下热滑翔机动力学分析  31-38
    2.3.1 水下热滑翔机的动量  31-33
    2.3.2 水下热滑翔机动能  33-35
    2.3.3 水下热滑翔机动力学模型  35-38
  2.4 非线性反馈变换  38-41
  2.5 水下热滑翔机受水动力分析  41-42
  2.6 模型简化  42-43
  2.7 本章小结  43-44
第三章水下热滑翔机动力学研究  44-63
  3.1 纵向平面内运动模型  44-48
  3.2 平衡滑翔航迹  48-53
    3.2.1 平衡航迹计算  48-51
    3.2.2 平衡滑翔速度计算  51-53
  3.3 滑块和压载水囊的运动设定  53
  3.4 仿真研究  53-61
    3.4.1 平衡航迹  53-55
    3.4.2 仿真分析  55-61
  3.5 本章小结  61-63
第四章纵向平面运动控制分析  63-84
  4.1 小扰动线性化  63-67
  4.2 稳定性和可控性分析  67-69
  4.3 LQR 控制器  69-71
  4.4 非线性前馈控制器设计  71-75
    4.4.1 水下热滑翔机逆系统  71-73
    4.4.2 两点边值问题  73-75
  4.5 仿真分析  75-83
    4.5.1 LQR 控制器  75-79
    4.5.2 非线性前馈控制器  79-83
  4.6 本章小结  83-84
第五章水下热滑翔机整体设计  84-102
  5.1 水下热滑翔机机身设计  84-88
    5.1.1 现有滑翔机的外壳形状  84-85
    5.1.2 水下热滑翔机外形设计  85-88
  5.2 耐压壳体设计  88-95
    5.2.1 外壳材料  88-89
    5.2.2 耐压壳体厚度计算  89-91
    5.2.3 耐压壳体密封设计  91-93
    5.2.4 耐压密封试验  93-95
  5.3 电控系统设计  95-97
  5.4 内调节系统机械结构  97-101
    5.4.1 俯仰调节机械机构设计  98
    5.4.2 横滚调节机械机构设计  98-100
    5.4.3 浮力调节机械机构  100-101
  5.5 本章小结  101-102
第六章水下热滑翔机试验研究  102-124
  6.1 姿态调节系统设置  102-103
  6.2 姿态调节机构性能试验  103-111
    6.2.1 俯仰调节机构性能测试  103-108
    6.2.2 横滚调节机构性能测试  108-111
  6.3 水下热滑翔机水池试验  111-114
    6.3.1 水池试验系统  111-112
    6.3.2 MTi-G 传感器设置  112-114
  6.4 姿态调整性能试验  114-123
    6.4.1 重力加速度测量  115-116
    6.4.2 俯仰角调节性能试验  116-119
    6.4.3 横滚角调节性能试验  119-123
  6.5 本章小结  123-124
第七章结论与展望  124-126
  7.1 结论  124-125
  7.2 展望  125-126
参考文献  126-131
致谢  131-132
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  132-133
攻读硕士学位期间参与申请的专利  133

水下热滑翔机的运动控制和姿态调节

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