基于缩比模型的水下滑翔机运动相似性研究

利用水下滑翔机缩比模型预报原型运动特征及滑翔经济性的前提是两者运动相似．以天津大学自主研制的PetrelⅡ水下滑翔机作为研究对象,从相似理论出发,基于动力学方程及纳维-斯托克斯(N-S)方程,推导了水下滑翔机原型与模型在运动相似时应当满足相似准则以及相似转换关系．采用计算流体动力学方法计算了不同缩比情况下水下滑翔机的升力系数及阻力系数,得到了尺度相似比与升力系数、阻力系数的关系．分析表明,在稳定滑翔状态下,水下滑翔机缩比模型与原型运动相似需要满足弗劳德准则;在该准则下,在一定的缩尺比范围内,升力系数与阻力系数的尺度效应并不明显,以尺度相似比为0.5设计缩比模型最为合适．通过水池试验获得了缩比模型在一定俯仰角下的速度、升阻比等运动参数,试验结果表明：缩比模型与原型间存在运动相似性;缩比模型在水池试验中得到的横向速度、垂向速度和升阻比与水下滑翔机原型海试结果吻合较好,相对误差满足工程误差要求．论文提出的利用水下滑翔机缩比模型对原型运动参数和滑翔经济性进行预报切实可行,可为大型水下滑翔机的设计提供实验室验证平台,对于缩短研发周期具有重要意义．     

喷泵型水下滑翔机垂直面内定常运动特性计算

为了了解带喷泵的水下滑翔机在垂直面内定常运动的特性,依据滑翔机六自由度空间运动方程,建立了垂直面内定常运动的运动方程,给出了其迭代计算算法.利用该算法,研究了HUST-2号滑翔机重浮力差、喷泵推力、初始俯仰角和机翼安装位置对滑翔速度及滑翔速度水平分量的影响,分析了滑翔机垂直剖面内定常滑翔时滑翔角的取值范围.结果表明,随着滑翔机重浮力差的增加,滑翔速度逐渐增大,攻角减小,俯仰角的绝对值增大.喷泵推力可有效提升滑翔机的滑翔速度.初始俯仰角及机翼的安装位置对滑翔速度有较大影响,对每一个重浮力差,都存在着一个最佳初始俯仰角使得滑翔速度水平分量达到最大值.机翼位置靠后安装能获得更大的滑翔速度.要减小滑翔机滑翔角的绝对值,须增加滑翔机的升阻比.     

水下滑翔机垂直面运动的前馈级联控制

针对水下滑翔机的结构特点,通过对不同控制策略的研究,提出前馈级联控制策略.首先,通过合理简化,建立水下滑翔机的纵平面运动模型;其次,基于水下滑翔机的航行要求和调节机构的特点,对单环控制策略、前馈反馈控制策略和前馈级联控制策略的控制原理进行分析研究;最后,利用Slocum滑翔机的基本参数,采用单环控制、前馈反馈控制和前馈级联控制三种不同控制策略对水下滑翔机进行仿真研究.对滑翔机俯仰角、滑翔速度、攻角、姿态控制滑块位置和浮力驱动系统质量等系统参数的对比分析表明,前馈级联控制策略在静态性能和动态性能方面均具有明显优势,可以使水下滑翔机快速实现对控制指令的跟踪响应,系统超调量小,状态切换平稳,适合于水下滑翔机的运动控制.     

基于温差能源的水下滑翔器动力学分析与设计

水下滑翔器作为一种新型水下机器人系统，对于海洋环境监测与资源探测具有重要应用价值．与采用电能驱动方式不同，设计开发了一种海洋环境能源（温差能源）驱动的水下滑翔器，并应用Gibbs—Appell方程建立了动力学模型，仿真分析了水下滑翔器的垂直剖面运动特性，获得了相应的运动参数．依据动力学仿真结果，设计了基于温差能源的热机系统，以及姿态调整机构与控制系统．水域实验结果表明，水下滑翔器采用温差能源驱动，其原理是可行的，所设计的热机系统热交换功率达到47W，可以满足水下滑翔器驱动性能要求．     

一种基于低速、小振幅周期运动CFD数值模拟的水下滑翔机附加质量求解方法

水下滑翔机在流体中变速运动会带动周围流体一起做变速运动,这一部分流体的质量称为水下滑翔机的附加质量.附加质量对水下滑翔机的动力学行为具有重要影响.本文提出了一种水下滑翔机附加质量求解方法,即利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对水下滑翔机在静止的无黏流体中低速、小振幅周期运动进行数值模拟,进而求得附加质量.使用商用CFD软件STAR-CCM+计算了海燕-L水下滑翔机的附加质量,与基于势流理论的H-S面元法计算结果相差5%以内;与水下滑翔机模型水池试验结果相比,除垂直于水下滑翔机机翼方向的附加质量λ₂₂以外,其他附加质量的相对误差在6%以内,优于常规的平面运动机构试验的CFD数值模拟等其他求解方法.该方法只需要建模一次,在同一个流体域中模拟水下滑翔机的4种运动方式,监控其所受水动力和力矩,即可得到水下滑翔机的附加质量,极大提高了附加质量求解效率.同时,该方法能适用于任意尺寸、形状的水下滑翔机,对不同型号水下滑翔机水动力外形设计、动力学建模都具有较大的参考价值.     

基于参数自整定PID的水下滑翔机航向控制方法

水下滑翔机航向控制的精度对海洋目标观探测具有重要意义。现有的水下滑翔机航向控制技术以比例积分微分（proportional-integral-derivative,PID）为主。为保证水下滑翔机按照预期轨迹运动,PID控制器参数需要反复设定和调整,很难达到快速准确的控制效果。针对该问题,提出了一种基于径向基函数（radial basis function,RBF）神经网络的参数自整定PID航向控制方法。首先建立水下滑翔机水平面内运动模型,然后构建了RBF神经网络结构,并通过梯度下降法给出了神经网络参数以及PID参数的迭代公式。仿真结果表明,该方法相较于常规PID控制方法能在较短的时间内收敛,控制系统精度较高,同时控制器参数能够快速自整定。为今后的水下滑翔机航向控制器提供了设计参考。     

圆碟形水下滑翔机运动特性研究

为了研究圆碟形水下滑翔机的运动特性,基于动量(矩)定理建立圆碟形水下滑翔机的运动控制方程,采用四阶龙格-库塔法求解.从圆碟形外形对运动性能的影响、垂向运动控制和微力矩控制转向角度三个方面对圆碟形水下滑翔机的运动特性进行研究.结果表明:圆碟形水下滑翔机的全翼身外形提高了升阻比并大幅降低了转向运动半径,大幅提高了其在小水体内的机动能力;水下定深性能较高,并且耗能较低;微力矩控制转向是可行的,滑翔机在小水体内能够灵活地运动.     

水下滑翔蛇形机器人结构设计与动力学建模

为了研制一种新型的具有高续航力和高机动性的水下滑翔蛇形机器人,提出一种适应其细长体外形、多模块特点的运动调节机构.基于动量定理、动量矩定理以及递推牛顿-欧拉法,分别建立滑翔运动和蛇形游动的动力学模型,模型充分考虑了附加质量力、流体力和流体力矩等影响因素.最后对建立的模型进行闭环控制仿真分析,结果证明了机械系统的有效性以及动力学模型的有效性.     

水下滑翔器设计参数与运动性能分析

水下滑翔器设计参数对其运动性能具有重要影响．通过对水下滑翔器稳定运动状态的分析,获得其设计参数与整体运动性能的关系,并得到参数的取值范围,用于指导水下滑翔器设计过程．为此,详细分析了水下滑翔器稳态运动时的攻角、运动方向、速度和设计参数之间的关系,并得到水下滑翔器设计参数需要满足的约束条件．通过分析水下滑翔器的运动性能,得到旋转重物的偏心量和浮力调节系统位置等参数的优化取值．最后,文章设计了水下滑翔器的物理样机,并进行了水域试验,验证了设计和分析的有效性     

六自由度水下航行器操纵性仿真及性能评估

为预报水下航行器样机操纵性和运动控制性能,采用格特勒标准六自由度运动方程,通过水池拖曳试验获取水动力系数,建立水下航行器运动模型,完成水平面回转操纵、Z型操纵、回舵操纵、垂直面梯形操纵和空间螺旋操纵等仿真.仿真结果表明:该水下航行器具有良好的应舵性能和回转性能,同时具有良好的机动性和稳定性;并将全模型仿真与经典的野本简化模型仿真结果进行比较,说明了本方法的精确性.对操纵性能的评估结果表明所设计的水下航行器满足水下智能控制试验平台的要求.