水面無人平臺動力學(xué)建模及姿態(tài)穩(wěn)定性研究.pdf

1、隨著世界各國越來越重視海洋資源與海洋權(quán)益，各國間領(lǐng)海爭端有急劇上升的態(tài)勢。為維護(hù)我國領(lǐng)海主權(quán)，保障我國海洋權(quán)益，大力發(fā)展海軍裝備意義重大。隨著無人化成為了戰(zhàn)爭的重要發(fā)展趨勢，水中無人作戰(zhàn)系統(tǒng)受到廣泛重視，近年來各國相繼加大了研究力度。結(jié)合水面和水下無人作戰(zhàn)系統(tǒng)各自的優(yōu)點，提出一種多用途水面無人平臺的概念，該平臺特指一種尺寸較小、結(jié)構(gòu)緊湊、運輸組裝方便的特種作戰(zhàn)平臺，可用于預(yù)定海域的警戒偵察。該無人平臺的結(jié)構(gòu)形式、工作環(huán)境及任務(wù)要求與通常

2、搭載于諸如車輛、艦船等大型運動載體的常規(guī)作戰(zhàn)平臺有較大差別，需要考慮水面應(yīng)用環(huán)境與小尺寸漂浮平臺的特殊性及其導(dǎo)致的動力學(xué)耦合問題。圍繞該水面無人平臺所面臨的系統(tǒng)建模和姿態(tài)控制問題開展研究，對于水中無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)用具有重要意義，也可為此類浮式特種平臺的開發(fā)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
　　本文以一種水面無人平臺為對象，對該平臺的動力學(xué)特性及其姿態(tài)控制過程中存在的技術(shù)和理論問題進(jìn)行了研究。對負(fù)載、載體和環(huán)境的特殊性導(dǎo)致的動力學(xué)耦合問題，以及在

3、此基礎(chǔ)上的平臺數(shù)學(xué)建模和姿態(tài)控制策略進(jìn)行了重點研究。
　　為獲得由浮式單元和平臺載體構(gòu)成的混合多浮體結(jié)構(gòu)漂浮平臺的運動特性以指導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，基于理想流體三維勢流理論和多剛體動力學(xué)，建立了漂浮平臺的動力學(xué)模型。針對幾種可行的結(jié)構(gòu)方案，分別建立了漂浮平臺整體動力學(xué)模型，分析了平臺載體的運動響應(yīng)。為減小流體動力對平臺結(jié)構(gòu)的影響，指導(dǎo)浮式單元陣列的排列方式，結(jié)合勢流理論和GREEN函數(shù)法，求解了浮式單元陣列在不同排列方式下的水動力系數(shù)，

4、得到了水動力作用與浮式單元陣列排列方式之間的分布規(guī)律。
　　針對水面無人平臺的結(jié)構(gòu)特點，基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計了改進(jìn)的串并聯(lián)穩(wěn)定平臺，并建立了數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)了并聯(lián)穩(wěn)定平臺的運動學(xué)逆解方程;通過建立傳動支鏈的速度映射關(guān)系，推導(dǎo)了系統(tǒng)的速度雅可比矩陣，基于Lagrange法建立了并聯(lián)穩(wěn)定平臺的動力學(xué)模型。為簡化動力學(xué)方程，比較分析了各部件慣性參數(shù)對平臺動力學(xué)性能的影響。為了解運動副間隙對平臺動力學(xué)特性的影響，基于改進(jìn)的Hertz接觸

5、理論和非線性彈簧阻尼模型推導(dǎo)了含間隙傳動支鏈的等效模型，建立了運動副含間隙的并聯(lián)穩(wěn)定平臺動力學(xué)方程，結(jié)合數(shù)值計算和實驗進(jìn)行了分析驗證。
　　建立了考慮非完整約束特性的無人平臺數(shù)學(xué)模型，為提高此類浮式平臺的控制性能提供了一種途徑。與現(xiàn)有穩(wěn)定平臺的模型相比，該模型考慮了負(fù)載與基座之間的耦合，對系統(tǒng)中的未建模動態(tài)進(jìn)行了定量處理，因而更加接近實際情況。采用虛擬機(jī)構(gòu)法和D-H法劃分平臺姿態(tài)變換矩陣并使其姿態(tài)角形式與并聯(lián)穩(wěn)定平臺一致，基于La

6、grange法建立了無人平臺的整體動力學(xué)模型。針對自由漂浮非完整無人平臺的流場作用，給出了恢復(fù)力矩的等效解析式和流場耦合項。
　　鑒于該無人平臺耦合作用較強(qiáng)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制難度較大的問題，對水面無人平臺的控制策略進(jìn)行了研究，首先為完整約束無人平臺設(shè)計了能普遍適用的工作空間復(fù)合魯棒控制策略。采用了多自由度干擾觀測器補(bǔ)償系統(tǒng)耦合、參數(shù)攝動和干擾對平臺的影響，并基于反步法設(shè)計了滑?？刂破饕种莆从^測出的干擾并對目標(biāo)軌跡實施跟蹤。對于非完整約