面向海洋剪切流测量的水下滑翔器设计方法与鲁棒控制研究

本项目以剪切流测量的水下滑翔器设计为目标，通过建立三维非线性动力学模型，分析水下滑翔器设计参数与其运动和测量性能之间的关系，以剪切流传感器对搭载平台的性能要求为约束，进行水下滑翔器的优化设计。同时考虑模型的结构不确定性和参数不确定性，进行鲁棒控制器设计和操纵性能分析。这种主动设计过程增加了面向海洋任务的水下滑翔器设计的有效性。同时两者集成应用也拓展了剪切流传感器和水下滑翔器的应用范围，增加了翼型剪切流传感器测量的精确性和便捷性。研究成果可进一步拓展应用于其它类型的海洋装备设计，对海洋机电装备的设计和海洋监测领域具有重要意义。

剪切探头是目前能够进行海洋湍流动能耗散率测量的唯一有效传感器，作为精密测量仪器，其对搭载平台的运动能力和稳定性具有严格要求；而水下滑翔机作为新型自治式水下机器人，具备航程长、能耗低、运动平稳等优点，是进行大范围海洋监测的理想仪器。目前美国和加拿大对剪切探头和水下滑翔机的集成应用进行了初步研究，获得了动能耗散率调查结果，显示了滑翔机与剪切探头有效组合的巨大价值。剪切探头由于其在设计、加工、测试和后续数据处理方面的难度，只有美、日、德和加拿大具备制造能力；而水下滑翔机在设计、集成和试验方面同样具有相当难度，目前仅有美国具备研制和实用能力。本项目针对剪切探头和水下滑翔机开展研究，主要内容和取得的重要结果如下：（1）完成剪切流传感器特性研究与测试。针对剪切流传感器的关键组成单元，开展了压电转换、力传递、力感知单元的诸多设计参数与传感器性能关系研究，应用多目标优化设计方法，得到三个单元的形状尺寸等优化设计方案；开展了剪切流传感器在流场中水动力特性研究和湿模态分析；基于上述研究，完成了传感器研制，并开展了传感器灵敏度标定与性能指标测试，具备了海洋湍动能耗散率测量的能力。（2）完成面向海洋微结构湍流测量的平台设计约束分析。从传感器灵敏度、空间分辨率和共振频率等测量性能需求和使用限制出发，分析得到为获得有效观测数据，作为剪切探头的搭载平台，其工作环境、运动性能等关键设计参数的约束条件，为水下滑翔机的设计提供依据。（3）水下滑翔机动力学建模与仿真分析。综合考虑滑翔机的姿态调节机构和动力驱动方式，应用微分几何方法，结合水动力分析，建立滑翔机的动力学模型；通过模型解算，获得滑翔机的运动性能与设计参数关系，如滑翔速度，俯仰角度、转弯半径及周期、稳态攻角与相关设计参数的关系等，成果能为滑翔机的运动进行预报，为设计提供指导。（4）水下滑翔机运动控制研究。在动力学模型的基础上，考虑模型本身的不确定性以及滑翔机工作环境干扰，为了在不确定情况下获得滑翔机的良好运动控制能力，基于水下滑翔机的不确定性模型，设计了鲁棒控制器，分析了系统的稳定性和鲁棒性能，为滑翔机的实际应用奠定基础。（5）水域试验研究。完成了剪切流传感器的水域综合测试和水下滑翔机的多次湖、海试验。获得了海洋微结构湍动能耗散率观测数据和滑翔机的运动性能指标，验证了上述分析和设计的有效性。