水下滑翔機多模態(tài)運動控制與路徑規(guī)劃研究.pdf

1、水下滑翔機作為新興的水下移動觀測平臺，以其低功耗、長航程、造價低等優(yōu)勢在海洋資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、海底偵查等軍事、民用領(lǐng)域表現(xiàn)出了越來越重要的應(yīng)用價值。因此，對于水下滑翔機的本體設(shè)計、理論研究以及實際應(yīng)用的意義重大。
　　在水下滑翔機的理論研究過程中，滑翔機的穩(wěn)定性分析、控制器設(shè)計以及路徑規(guī)劃等內(nèi)容都是建立在精確、完整的動力學(xué)模型基礎(chǔ)上。本文深入研究了水下滑翔機的運動機理以及動力學(xué)建模方法，基于動力學(xué)模型闡述了滑翔機的穩(wěn)定狀態(tài)與執(zhí)行

2、機構(gòu)之間的關(guān)系。進一步地，對非線性的動力學(xué)模型進行了平衡點線性化展開，并根據(jù)線性化模型設(shè)計了控制器；在非線性動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計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運動與滑翔機的運動特點相結(jié)合，建立了滑翔機在三維空間內(nèi)的Dubins運動模型，并設(shè)計了基于遺傳算法的軌跡優(yōu)化方法。在成功研制“海鷗”號水下滑翔機的基礎(chǔ)上，開展了大量仿真與試驗，對理論研究方法進行了初步驗證。主要研究工作如下：
　　基于

3、牛頓-歐拉方程，對具有俯仰-橫滾耦合姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)的滑翔機進行了動力學(xué)建模；分別對滑翔機的兩種平衡狀態(tài)，即垂直面內(nèi)的鋸齒形運動和豎直方向的螺旋形運動進行了穩(wěn)定狀態(tài)分析，在現(xiàn)有螺旋運動平衡狀態(tài)求解方法的基礎(chǔ)上，對螺旋運動下的非線性耦合項進行了合理的簡化與近似，獲得了各個狀態(tài)量關(guān)于速度的表達式，并通過方程組的聯(lián)立求解得到了一種高精度的螺旋運動數(shù)值求解方法；通過計算機仿真對滑翔機的動力學(xué)方程以及平衡狀態(tài)求解器的準確性進行了初步驗證。
　　

4、對滑翔機的非線性運動方程進行了平衡點線性化展開，在時域內(nèi)對滑翔機的運動穩(wěn)定性進行了分析；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)器對滑翔機的姿態(tài)和速度進行控制。針對滑翔機的非線性動力學(xué)模型，設(shè)計了基于Lyapunov穩(wěn)定性判據(jù)的非線性自適應(yīng)反演控制器，實現(xiàn)了系統(tǒng)的多輸入-多輸出控制，同時使得滑翔機能夠在多個模態(tài)的運動中自由切換，為滑翔機軌跡規(guī)劃和路徑優(yōu)化創(chuàng)造了條件。
　　將二維平面內(nèi)的Dubins軌跡問題與滑翔機的運

5、動特點相結(jié)合，擴展到了三維空間中。對滑翔機運動過程中各個子系統(tǒng)的能量消耗進行了系統(tǒng)的分析，基于遺傳算法設(shè)計了滑翔機在三維空間內(nèi)的最優(yōu)運動策略。通過對單個滑翔機軌跡優(yōu)化的驗證之后，將該優(yōu)化算法擴展到了多個滑翔機的編隊優(yōu)化問題上，并通過終點航向角優(yōu)化、終點坐標優(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，為滑翔機的實際布放提供了理論基礎(chǔ)。
　　在理論研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計并研制了最大下潛深度為500米的“海鷗”號水下滑翔機樣機，對滑翔