超空泡水下航行体的纵向机动运动的控制研究

The problem to the longitudinal maneuvering motion control of supercavitation underwater high-speed vehicle is always one of the key technologies, which restricts development of the vehicle. When supercavitation underwater high-speed vehicle realizes the maneuvering motion in vertical plane, the changes of vehicle attitude and supercavitation shape are strongly nonlinear, which will lead to destabilization of the vehicle. To solve this problem, this project will research the questions to the longitudinal maneuvering control of supercavitation vehicle based on basic theory, experimental research and simulation. The main contents of the project are described as follows: 1.Improvement to the model of supercavitation underwater high-speed vehicle; 2. Research on stability of supercavitation underwater high-speed vehicle. 3.Study on stablity prediction of maneuvering of supercavitation vehicle in vertical plane based on multiple sensor information fusion algorithms; 4.Study on control strategies of maneuvering motion in vertical plane to supercavitation underwater high-speed vehicle. The research objective of the project is to introduce the multi-sensor information fusion technology into underwater high-speed motion on motor control field,and makes it a solution to longitudinal maneuvering control problem of supercavitation underwater high-speed vehicle. The above research has important academic significance and application value.

超空泡水下高速航行体的纵向机动运动的控制问题，一直是制约超空泡航行体发展的关键技术之一。超空泡水下高速航行体在纵平面内进行机动运动时，超空泡的形态和航行体的姿态都会发生强非线性变化，导致航行体失稳。为解决这一问题，本项目以基础理论为依据，以理论研究、实验研究和仿真为手段，对超空泡水下高速航行体的纵向机动运动的控制问题进行了研究。本项目的主要研究内容包括：1.超空泡水下高速航行体的模型的完善；2. 超空泡水下高速航行体的运动稳定性的判定标准研究；3.基于多传感器信息融合技术的超空泡水下高速航行体纵向机动运动的稳定性预测研究；4.超空泡水下高速航行体纵向机动运动的控制策略研究。本项目的研究将多传感器信息融合技术引入水下高速航行体机动运动的控制领域，使其成为解决超空泡水下高速航行体的纵向机动运动控制问题的重要工具，具有重要的学术意义和应用价值。

超空泡航行体是一种借助超空泡技术，在水下将自身包裹在大的气体空泡中，以实现减阻、提速目的的水下航行体。由于空泡的存在，使得在超空泡航行体在建模和控制中存在大量不能准确测量和计算的因素，制约了超空泡航行体的发展和应用。.超空泡航行体的纵向机动运动的控制问题是其控制问题中的难点。由于超空泡的形态和泡内、外的压力差存在着密切的关系，因此在超空泡航行体的纵向机动运动中，超空泡的形态会发生强非线性变化，使航行体失稳，因此本项目对超空泡航行体的纵向机动运动的控制问题进行了研究。.本研究的主要内容如下，.一：搭建控制机构可转动的超空泡航行体模型水洞测试平台。通过不同频率转动的控制机构模拟超空泡航行体的控制过程，通过不同的充气率模拟不同深度的水下环境，以此获取在不同水下深度时的超空泡航行体纵向运动控制时的模拟环境数据。.二、根据获取的数据，对超空泡航行体的数学模型进行完善，并给出超空泡航行体稳定运动的判定标准。.三、使用多传感器信息融合技术对多个传感器的信息进行处理，保证了系统各个状态的正确性。.四、使用鲁棒算法和卡尔曼滤波算法为超空泡航行体设计控制算法，并使用计算机仿真和半实物仿真的方法对控制算法进行验证。.重要结果和关键数据：本研究在国内首次实现了基于控制目的、非静止控制机构的水洞实验，获取了很多有价值的实验数据，根据实验数据对现有的数学模型进行了改进，并使用信息融合算法结合控制算法对超空泡航行体的纵向机动运动的稳定控制进行了研究，设计了控制率并仿真验证。.科学意义：本文的研究在国内首次使用水洞实验这一实验方法对超空泡航行体进行控制相关的实验研究，这种研究只要积累到了一定量的数据，必然能够得到可用于实际控制的控制参数，对超空泡技术能够真正投入实用有着重要的意义。由于超空泡技术是目前已知的唯一在水下能够达到100m/s以上速度的水下航行技术，所以其研究对于海洋开发和水下运输的发展有着巨大的科学意义和应用价值。