基于能耗最优的混合驱动水下滑翔机航行效率问题研究

For obtaining the multi-mode, high efficiency, large range and three-dimensional marine observation, this project proposes a novel approach to research the transit efficiency of hybrid-driven underwater gliders based on optimum energy consumption. In this project, the key issues relating to this approach are to be investigated, which include the model established of transit efficiency of hybrid-driven underwater gliders in three driven modes based on energy method, the coupled analysis of wing-hull-propeller and their hydrodynamic optimum of the whole shape based on CFD method, the control method and strategies of hybrid-driven underwater gliders based on self-adaptive control theory. The research results including developed strategies, methods and algorithms will be demonstrated and validated by computer simulation and part in field tests. The proposed approach to transit efficiency research results of the key issues will provide a solid foundation for the future application of hybrid-driven gliders in the selection of driven mode and the efficient production development. And the research results of this project will also contribute to the research on the development of similar long range autonomous underwater observational platforms.

针对海洋观测对混合驱动水下滑翔机多模式、高效率、大范围立体观测的需求，首次提出基于能耗最优的混合驱动水下滑翔机航行效率问题研究。主要研究其涉及的：基于能量法的混合驱动水下滑翔机不同航行模式下的航行效率评价模型建模方法、基于CFD计算的混合驱动水下滑翔机升降翼-艇体-螺旋桨耦合分析及其水动力布局综合优化、基于自适应理论的混合驱动水下滑翔机智能航行控制方法三方面关键研究内容，对涉及的关键基础问题进行探索和解决。通过项目的研究，以期获得一套支撑混合驱动水下滑翔机航行效率提升及高性能工程样机研制的基础策略、方法和算法。在基于计算机仿真的有效性验证和性能评估外，还对部分研究结果进行海洋环境实验验证。项目的研究结果，为混合驱动水下滑翔机从功能实现到航行效率提升提供重要支撑，也为类似长航程水下移动观测平台的研制提供理论基础。

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AUV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，混合驱动水下滑翔机的运动机理和理论知识也是当前发展长续航力AUV的理论基础和技术支撑，目前正逐渐成为水下机器人领域新的研究热点和发展趋势。.本项目针对混合驱动水下滑翔机航行效率提升的目的，研究其涉及的航行效率评价模型建模、翼-体-桨耦合分析及其水动力布局综合优化以及高效智能航行控制三方面关键内容，并对其中涉及的关键基础问题进行了探索和解决，取得的主要研究成果如下：.1、基于能量法建立了混合驱动水下滑翔机垂直面内稳态运动下的AUV模式、Glider模式以及混合模式的实际航行效率模型，从实际航行效率方面阐述了影响混合驱动水下滑翔机航行效率的因素，包括航行速度、深度、滑翔角、螺旋桨转速以及负载功耗等，并定量分析了影响程度，分析的结论对实际作业中航行模式的选择具有指导意义。.2、以提升混合驱动水下滑翔机航行效率为优化目标，研究了混合驱动水下滑翔机的桨机体综合优化方法及其外形优化方法，通过分析混合驱动水下滑翔机零攻角高效航行原理，提出了一种适用于混合驱动水下滑翔机的浮力均衡系统方案并分析了其控制问题。.3、针对混合驱动水下滑翔机在稳定的海洋环境下的长期大范围低功耗高效巡航的需求，研究了不依赖动力学模型的模糊PD零攻角航行控制方法，实现了垂直面多驱动机构协同控制下的混合驱动水下滑翔机零攻角航行，并进行了系统仿真实验。.4、针对混合驱动水下滑翔机在海水密度突变、背景流复杂、近底航行等复杂海洋环境下的高效航行问题，研究了基于多模型预测控制的零攻角航行控制方法。针对重心调节和浮力调节存在耦合问题，建立了浮力和重心分时调节的多模型预测控制器，同时考虑了实际控制输入量的约束情况。通过仿真验证了混合驱动水下滑翔机使用该算法在海洋环境发生变化的条件下保持零攻角航行的能力。