【摘 要】
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水下滑翔机因为其灵活的搭载能力、较强的续航能力以及低廉的运行成本成为了备受海洋学家青睐的研究海洋、开发海洋的工具。水下滑翔机受限于自身的体积,只能携带有限的能量。在有限能量条件下,降低能耗是提升水下滑翔机续航能力的关键技术途径。水下滑翔机能耗中,由于能源供给方案和控制算法欠合理,控制系统的能耗在总能耗中的占比约为95%,存在较大的降耗潜力。本文以天津大学“Petrel-II”水下滑翔机为研究对象,
【基金项目】
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国家重点研发计划项目“长航程水下滑翔机研制与海试应用”,项目批准号:2016YFC0301100；
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水下滑翔机因为其灵活的搭载能力、较强的续航能力以及低廉的运行成本成为了备受海洋学家青睐的研究海洋、开发海洋的工具。水下滑翔机受限于自身的体积,只能携带有限的能量。在有限能量条件下,降低能耗是提升水下滑翔机续航能力的关键技术途径。水下滑翔机能耗中,由于能源供给方案和控制算法欠合理,控制系统的能耗在总能耗中的占比约为95%,存在较大的降耗潜力。本文以天津大学“Petrel-II”水下滑翔机为研究对象,通过对控制系统各单元的能耗分析,建立了控制系统的单剖面能耗模型。在此基础上,从能源供给方案和控制方法两个方面对控制系统进行了低功耗优化。主要成果如下:（1）根据水下滑翔机的工作原理和工作流程,推导出了水下滑翔机稳态滑翔速度和剖面时间表达式,进而建立了控制系统各单元的能耗模型,综合各单元的能耗模型,形成了水下滑翔机控制系统的单剖面能耗模型。（2）基于控制系统各单元供电电压需求分析,提出了降低水下滑翔机控制系统能耗的多电源多电压（Multi-supply multi-voltage technology,MSMV）供电方案及能源管理方案,可降低控制系统能耗约19%。（3）利用动态电压/频率调节（Dynamic voltage and frequency scaling,DVFS）算法改进了水下滑翔机控制单元的工作频率调节算法;利用最优化原理,提出了能耗最优的浮力调节控制算法;提出了控制系统的休眠策略,减少了控制系统的时间开销。通过上述算法可降低控制系统能耗约13%。模拟测试和海试表明,通过能源供给和控制算法优化,水下滑翔机控制系统能耗降低约30.75%,其中控制单元能耗降低约9%,执行单元和测量单元能耗综合降低约22%,可提高水下滑翔机航程约12.18%,提升水下滑翔机续航时间约48.3%。
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