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水下热滑翔机的运动控制和姿态调节
| 论文题名： | 水下热滑翔机的运动控制和姿态调节 |
| 关键词： | 水下滑翔机;姿态调节;非线性控制;反馈变换 |
| 摘要： | 水下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。 本文在理论分析的基础上,设计了试验用的水下滑翔机样机,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。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。 |
| 作者： | 孙启 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 马捷;王俊雄 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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