可变翼混合驱动水下滑翔机动力学行为与控制方法研究

The underwater glider is a new kind of autonomous underwater vehicles (AUVs) which is driven by buoyancy regulating and widely used in the area of ocean monitoring. But the disadvantages such as low speed, simple trajectory patterns, vulnerable to the environmental disturbance are becoming more and more important along with the widely use of it. The further development is also limited by these drawbacks. The propeller driven hybrid underwater glider can make up the deficiency, and the controllable wings design can make both the advantages of buoyancy regulating and propeller driven sufficiently. This proposal presents a propeller driven hybrid underwater glider with controllable wings, and a propeller is added at the aft of the underwater glider, at the same time, controllable wings are designed instead of fixed wings. By controlling the mechanisms, the wings have the ability of shape changing. The relations between the main design parameters and the performances can be derived by dynamic modeling and analysis. And the optimal design can be conducted with the specified performance requirements. The robust controller is also designed considering the uncertainty of the model and parameters caused by wings shape changing and corrosion of the glider itself, as well as the disturbances of ocean currents et al. The controller can regulate the shape of the wings according to the different velocities and the complex environment, thus to have a better motion performances by matching the different moving modes. This research can be the guidance to the development of the hybrid driven underwater gliders, and will provide a theoretical foundation for the application of the underwater gliders.

水下滑翔机依靠浮力变化进行驱动，是当前海洋监测领域广泛应用的新型水下航行器。但随着其应用深入，速度低、运动形式单一、易受环境干扰等问题也逐渐显露，限制了其进一步发展。加装螺旋桨推进的混合驱动水下滑翔机能够有效弥补以上不足，而机翼可变的设计方式则可充分融合浮力调节和螺旋桨驱动两者的优势。为此，本项目提出可变翼的混合驱动水下滑翔机，在增加尾部螺旋桨推进的同时，将现有滑翔机的固定机翼改为可变机构，通过机构调节，带动滑翔翼变形。本项目通过动力学建模，获得混合驱动滑翔机主要设计参数与动力学性能的关系，并根据具体需求，进行优化设计；同时考虑机翼变形和机体腐蚀等造成的模型和参数不确定性、以及洋流等复杂环境干扰，设计鲁棒控制器，使其能够根据滑翔机的不同运动速度和实际复杂环境，通过变翼调节，与不同运动模式匹配，达到较好的运动性能。研究成果可指导混合驱动水下滑翔机的设计开发过程，为其工程应用奠定基础。

水下滑翔机是一种新型的海洋机电装备，是当前国际上海洋大范围、长时续、精细化观测的先进水下机器人系统。其在海洋安全保障和海洋科学研究领域都发挥着重要作用。本项目针对当前主流型号水下滑翔机存在的运动速度慢、运动形式单一、机动性较弱、易受环境干扰等问题，提出了螺旋桨推进与滑翔机浮力调节相结合的新型混合驱动水下滑翔机设计方案。项目通过机构分析、动力学建模与运动控制策略研究，以实现上述多种驱动方式的有效融合为目标，结合可控的变形机翼，进行了总体优化设计，并研制了样机系统。研究使得混合驱动水下滑翔机能够在不同速度需求下，调节机翼形状，达到优化的运动性能，为混合驱动的新型水下机器人设计和应用提供了理论指导。项目取得主要成果如下：.（1）从系统设计角度，将水下滑翔机浮力驱动方式和螺旋桨推进方式相结合，实现了混合驱动滑翔机系统设计；改变传统固定翼设计模式，提出可变翼机构的构型综合方法；并设计得到多种新型可变翼机构，使其能够根据滑翔机的工作状态、运动速度和外在环境调节翼形，整机系统达到良好运动性能。.（2）在动力学建模方面，浮力与螺旋桨驱动方式融合，使滑翔机具有多种运动模式，而机翼变形则以水动力参数形式与动力学模型直接耦合。项目推导获得了包含混合驱动、内部重心调节、以及变形机翼等多种特征的动力学模型，仿真预报了其特有运动模式和运动性能，并获取了设计参数与运动性能之间的关系。.（3）针对可变翼混合驱动水下滑翔机，设计了能够在较大参数不确定和复杂环境干扰下的鲁棒控制器，实现了混合驱动水下滑翔机的可变机翼与姿态调节相融合的运动控制。.（4）研制了多种可变翼机构样机，提出独立浸水舱段等安装布局方式，对混合驱动滑翔机进行了自由滑翔、定深航行、动力滑翔、转向及螺旋运动的水域测试，验证了动力学模型及航向控制策略的有效性，证明了可变翼混合驱动水下滑翔机的性能优势。