【摘 要】
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水下滑翔机是一类特殊的水下采样机器人,具有制造成本低,续航里程长等优点,适用于大尺度范围、长工作周期的水下观测任务,符合人类多样化探索海洋的实际需要。由于水下滑翔机特殊的工作原理和运动方式,在实际应用中,对环境因素更加敏感,因此对水下滑翔机进行路径规划方面的研究是保障其能够顺利完成海洋观测任务的关键技术之一。本文以混合驱动水下滑翔机为研究对象,为提升水下滑翔机运行特性,在建立其动力学模型的基础上,
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水下滑翔机是一类特殊的水下采样机器人,具有制造成本低,续航里程长等优点,适用于大尺度范围、长工作周期的水下观测任务,符合人类多样化探索海洋的实际需要。由于水下滑翔机特殊的工作原理和运动方式,在实际应用中,对环境因素更加敏感,因此对水下滑翔机进行路径规划方面的研究是保障其能够顺利完成海洋观测任务的关键技术之一。本文以混合驱动水下滑翔机为研究对象,为提升水下滑翔机运行特性,在建立其动力学模型的基础上,对水下滑翔机进行稳态运动分析并进行俯仰切换控制器的设计。最后综合考虑水下滑翔机的运动特点及能耗效率问题,基于粒子群优化算法进行水下滑翔机的路径规划。主要研究内容及成果包含以下几方面:1、对混合驱动水下滑翔机进行了动力学模型的推导和数值仿真。此模型综合考虑了浮力调节机构、姿态调节机构和螺旋桨装置等部件的控制作用以及各机构的质量和位置信息,并考虑了水下滑翔机在流体介质中受到的水动力。在动力学模型基础上,分别对混合驱动水下滑翔机剖面滑翔和动力推进两种工作形态进行仿真分析,结果准确描述了混合驱动水下滑翔机的两种运动形式。2、基于水下滑翔机动力学模型,推导了水下滑翔机纵向剖面内稳态运动方程,对水下滑翔机在纵向剖面内进行稳定滑翔时俯仰运动状态与控制机构参数的关系进行分析,通过仿真得到了稳态运行状态下控制参数的范围。根据稳态运动状态,对水下滑翔机俯仰切换运动设计了反步控制器,并与传统PID控制器对比。通过仿真对比,验证了水下滑翔机在大角度俯仰转变过程中,反步控制器减少了控制机构运行时间,能够实现更快速度的角度转换,动态性能上优于PID控制器。3、针对水下滑翔机“锯齿”形轨迹的周期性运动特点,综合考虑水下滑翔机的运动特点及能耗效率问题,基于粒子群优化算法进行水下滑翔机的路径规划。根据水下滑翔机的运动特征,结合了水下滑翔机能耗问题,选择用水下滑翔机航向误差,能耗效率以及路径危险度来制定适应度函数。最后选择一种惯性权重的非线性动态调整策略,提高了算法的全局搜寻能力。通过仿真对比,表明优化后的算法可以生成质量更高的路径,并且可以在更少的迭代次数下收敛到全局最优,有效的提高了粒子群算法应用在水下滑翔机路径规划的算法速度和能耗效率。
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