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面向协同观测的水下滑翔机时变误差补偿与控制参数优化
| 论文题名： | 面向协同观测的水下滑翔机时变误差补偿与控制参数优化 |
| 关键词： | 水下滑翔机;动力学模型;集群同步观测;参数误差分析;控制参数优化 |
| 摘要： | 水下滑翔机是一种具有低能耗、长续航、低成本等特点的新型无人水下航行器，被广泛应用于海洋水文信息监测、水下目标探测等领域。水下滑翔机协同编队可实现目标海域的广域立体式移动观测，对海洋现象的精细化分析与研究十分有利。海洋环境场、生物污损程度以及水下滑翔机结构参数等存在不确定性和时变特性，使制造批次、配置参数均相同的各水下滑翔机运动状态和续航能力存在一定的差异，进而对水下滑翔机集群同步观测的数据质量、队形保持精度等造成不利影响。本文以提升多台水下滑翔机同步观测的运动一致性为目标，通过研究水下滑翔机多种时变参数误差的辨识和补偿方法，实现水下滑翔机动力学模型参数的近实时补偿以及运动行为的精准预测，为提高多水下滑翔机集群同步观测性能及作业效率提供理论指导。主要研究内容如下： 1.将Sobol全局灵敏度分析方法与计及净浮力损失的水下滑翔机动力学模型相结合，获得水下滑翔机误差参数与运动性能的关系模型，进而确定了影响水下滑翔机运动状态的主要误差参数，并通过动力学模型仿真分析了参数误差对水下滑翔机运动状态的具体影响，为动力学模型的参数辨识提供了理论指导。 2.将模型驱动与数据驱动相结合，提出了基于BP神经网络代理模型的参数误差辨识方法，以海试数据为基础，可实时辨识水下滑翔机的多种参数误差，并通过海上试验证明了该方法的有效性。采用序列二次规划(SQP)方法对水下滑翔机进行控制参数优化，提高了多水下滑翔机运动一致性。上述方法为同步观测的多台水下滑翔机控制参数设定与任务规划提供了指导。 3.结合水下滑翔机控制参数的约束范围，建立基于控制参数的时变能耗模型，得到了控制参数、时变误差、传感器功率与单剖面能耗、单剖面航程之间的关系，该模型能够较为准确评估参数误差影响下的水下滑翔机续航能力，并采用粒子群算法分别获得单剖面能耗和航程最优值及其对应的控制参数，可实现多水下滑翔机能耗最低以及整体航程最优。 4.基于本文提出的水下滑翔机同步观测时变误差补偿与控制参数优化方法，开展了两台水下滑翔机协同观测海上试验，验证了本文所提出方法对提高多台滑翔机同步观测运动一致性及航程优化方面的可行性。 |
| 作者： | 赵旭 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王延辉;孙秀军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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