混合驱动水下滑翔机实现机理与控制问题研究

混合驱动水下滑翔机是一种新概念水下机器人，它综合了浮力驱动水下滑翔机续航力强和螺旋桨驱动水下机器人机动性好的优点，克服了完全依靠浮力驱动水下滑翔机的抗流能力差、无直接水平航行能力的缺点，适用于复杂海流环境条件下，大范围与局部机动的综合海洋环境观测应用。本项目对混合驱动水下滑翔机的实现机理及其运动规划与控制问题进行研究，主要研究内容包括：(1) 混合驱动水下滑翔机实现机理研究；(2) 混合驱动水下滑翔机专用可折叠螺旋桨驱动装置研究与实现；(3) 混合驱动水下滑翔机优化设计方法研究；(4)复杂海流条件下，混合驱动水下滑翔机运动规划与控制方法研究；(5) 混合驱动水下滑翔机原理样机设计与实现。通过本项目的研究，将解决混合驱动水下滑翔机相关基础问题，为研制混合驱动水下滑翔机实用系统提供必要的理论基础和技术积累，对促进水下机器人技术的发展具有积极作用。

本项目针对混合驱动水下滑翔机综合了浮力驱动水下滑翔机续航力强和螺旋桨驱动水下机器人机动性好的优点，克服了完全依靠浮力驱动水下滑翔机的抗流能力差、无法直接水平航行的缺点，适用于复杂海流环境条件下，大范围调查与局部机动的综合海洋环境观测应用这一需求开展了应用基础研究。主要研究内容包括混合驱动水下滑翔机实现机理研究、混合驱动水下滑翔机专用可折叠螺旋桨驱动装置研究与实现、混合驱动水下滑翔机优化设计与运动机理研究、混合驱动水下滑翔机原理样机设计与实现。已按照研究计划完成了全部研究内容，主要成果如下：.（1)）基于第一性原理对AUV的螺旋桨驱动效率和水下滑翔机的浮力驱动效率的研究基础，本项目建立了混合滑翔机在AUV模式、Glider模式以及混合模式下的三种效率模型，为混合滑翔机的作业模式的选择提供了参考依据。.（2）基于图谱法，本文开发了一种适用于混合驱动水下滑翔机的可折叠螺旋桨驱动装置，建立了可折叠螺旋桨的力平衡和力矩平衡模型，并采用CFD方法计算了可折叠螺旋桨的敞水性能，获得了不同进速系数下推进器的推力系数、转矩系数以及敞水效率。.（3）针对可折叠螺旋桨减阻问题提出了阻力减额分数，采用CFD方法计算了混合驱动水下滑翔机的低阻性能，得出可折叠螺旋桨在Glider模式较常规固定螺旋桨产生45%以上的阻力减额，尤其是在机器人的航速为0.2m/s左右时更能达到60%以上。.（4）通过以上的研究基础，针对复位弹簧的刚度取值范围，本项目建立了复位弹簧刚度模型，针对一个特定的物理模型，确定了刚度有效取值范围。.（5）基于拉格朗日方法建立了混合驱动水下滑翔机的空间六自由度动力学模型，并对混合滑翔机的三维运动特性进行了仿真分析。.（6）开发了混合驱动水下滑翔机原理样机，并通过水池试验初步验证了可折叠螺旋桨的功能和混合驱动水下滑翔机的空间运动能力。