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原文传递水下滑翔机多模态运动控制与路径规划研究

论文题名：	水下滑翔机多模态运动控制与路径规划研究
关键词：	水下滑翔机;运动控制;路径规划;反演控制器;非线性动力学
摘要：	水下滑翔机作为新兴的水下移动观测平台，以其低功耗、长航程、造价低等优势在海洋资源勘探、环境监测、海底侦查等军事、民用领域表现出了越来越重要的应用价值。因此，对于水下滑翔机的本体设计、理论研究以及实际应用的意义重大。　　在水下滑翔机的理论研究过程中，滑翔机的稳定性分析、控制器设计以及路径规划等内容都是建立在精确、完整的动力学模型基础上。本文深入研究了水下滑翔机的运动机理以及动力学建模方法，基于动力学模型阐述了滑翔机的稳定状态与执行机构之间的关系。进一步地，对非线性的动力学模型进行了平衡点线性化展开，并根据线性化模型设计了控制器；在非线性动力学模型的基础上，设计了基于李雅普诺夫稳定性判据的自适应反演控制器。将平面内的Dubins运动与滑翔机的运动特点相结合，建立了滑翔机在三维空间内的Dubins运动模型，并设计了基于遗传算法的轨迹优化方法。在成功研制“海鸥”号水下滑翔机的基础上，开展了大量仿真与试验，对理论研究方法进行了初步验证。主要研究工作如下：　　基于牛顿-欧拉方程，对具有俯仰-横滚耦合姿态调节机构的滑翔机进行了动力学建模；分别对滑翔机的两种平衡状态，即垂直面内的锯齿形运动和竖直方向的螺旋形运动进行了稳定状态分析，在现有螺旋运动平衡状态求解方法的基础上，对螺旋运动下的非线性耦合项进行了合理的简化与近似，获得了各个状态量关于速度的表达式，并通过方程组的联立求解得到了一种高精度的螺旋运动数值求解方法；通过计算机仿真对滑翔机的动力学方程以及平衡状态求解器的准确性进行了初步验证。　　对滑翔机的非线性运动方程进行了平衡点线性化展开，在时域内对滑翔机的运动稳定性进行了分析；在系统完全能控的基础上，使用LQR和PID两种线性调节器对滑翔机的姿态和速度进行控制。针对滑翔机的非线性动力学模型，设计了基于Lyapunov稳定性判据的非线性自适应反演控制器，实现了系统的多输入-多输出控制，同时使得滑翔机能够在多个模态的运动中自由切换，为滑翔机轨迹规划和路径优化创造了条件。　　将二维平面内的Dubins轨迹问题与滑翔机的运动特点相结合，扩展到了三维空间中。对滑翔机运动过程中各个子系统的能量消耗进行了系统的分析，基于遗传算法设计了滑翔机在三维空间内的最优运动策略。通过对单个滑翔机轨迹优化的验证之后，将该优化算法扩展到了多个滑翔机的编队优化问题上，并通过终点航向角优化、终点坐标优化等案例仿真讨论了该优化策略的可行性以及适用性，为滑翔机的实际布放提供了理论基础。　　在理论研究的基础上，设计并研制了最大下潜深度为500米的“海鸥”号水下滑翔机样机，对滑翔机的各个子系统分别进行了测试，并开展了大量仿真研究与水域试验，对理论研究方法进行了初步验证。水域试验表明了样机性能的稳定性，实现了预期目标，初步具备了作为水下观测平台进行海洋环境观测的能力。
作者：	曹俊亮
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	连琏
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文