面向海洋微结构测量的水下滑翔器协同动力学行为研究

Ocean microstructure reveals the influence of ocean processes on global climate change. Fundamentals of research on ocean microstructure is three-dimensional, large-scale, and long-term observation. Aiming to enhance the ability to observe ocean microstrcuture, this proposal presents the coordinated dynamics of an underwater glider fleet for ocean microstructure measurement. Analysis and optimization of sensor layout on the underwater glider is first presented. Then, the connection between individual underwater glider in the fleet is modeled using multibody system theory and artificial potential field method according to specific measuring requirements. Based on the multibody system model of the underwater glider formation, a coordinated strategy that includes both position and attitude control under intermittent communication is subsequently developed by virtual structure method, combining the kinematics and dynamics of individual underwater glider. The formation error is finally evaluated by deformation of the formation configuration using shape similarity measurement, as well as the translation error and the rotation error. The proposed work provides a strategy for cooperation of an underwater glider fleet to measure ocean microstructure from the theoretical aspect, and may thereby improve knowledge of ocean processes and promote application of underwater glider formation in ocean observation.

海洋微结构可以揭示海洋变化过程对全球气候变化的影响规律。立体、大范围、长时序的有效观测是海洋微结构研究的基础。为提高海洋微结构观测能力，本申请项目拟开展面向海洋微结构测量的水下滑翔器协同动力学行为研究。首先，以海洋微结构测量传感器对水下滑翔器的性能要求为约束，进行海洋微结构测量传感器与水下滑翔器集成优化设计；其次，运用多体系统理论与人工势能场方法，构建水下滑翔器集群关联结构，建立协同编队多体系统模型；最后，针对水下滑翔器特殊的间断通信方式，采用虚拟结构体法，结合水下滑翔器个体运动学和动力学行为，发展满足通信约束且融合姿态控制的水下滑翔器协同编队方法，并运用形状相似性度量法考察水下滑翔器集群的编队保持精度，综合编队构形平移误差和旋转误差，建立整体编队误差模型。本研究工作为水下滑翔器集群编队系统在海洋观测领域的应用提供理论研究方法,对揭示海洋内部微观运动机理具有重要科学意义。

海洋微结构反映了海水的物质、能量和动量的传输及能量的耗散情况，同时也揭示了细结构乃至粗结构海洋内部运动的运动特性及其对全球气候的影响。微结构普遍存在于海洋中，形成机理复杂。立体、大范围、长时序的有效观测是海洋微结构研究的基础。垂直剖面仪是目前普遍使用的海洋微结构测量平台，但其测量范围仅限于单点垂向剖面；随船测量海域站点数量受限、剖面数少、成本高；且敏感海域测量站点受限，容易产生测量数据断点，所能获得的数据量非常有限，无法满足立体、连续的观测需求。因此，为提高海洋微结构观测能力，本项目开展面向海洋微结构测量的水下滑翔器协同动力学行为研究。. 项目主要研究内容包括：（1）水下滑翔器与海洋微结构测量传感器集成优化研究。以海洋微结构测量传感器对水下滑翔器的性能要求为约束，探讨满足海洋微结构测量需求的集成设计方法并优化水下滑翔器运动参数；（2）水下滑翔器编队多体系统建模。运用多体系统理论与人工势能场方法，将水下滑翔器编队系统视为多刚体系统，根据水下滑翔器编队构型需求设计系统关联结构；（3）水下滑翔器协同编队策略与构型保持精度分析。设计水下滑翔器多体系统的相对位置协同策略与姿态协同策略，分析系统外部环境不确定因素对水下滑翔器编队系统整体性能与构型的影响；（4）相关试验研究。. 项目取得了如下研究成果：（1）分析并得到了水下滑翔器与海洋微结构测量传感器的优化集成方式，得到了适于海洋微机构测量的水下滑翔器运动参数选取原则；（2）发展了水下滑翔器编队系统多体建模方法，构建了基于人工势能场方法的多体系统内部关联结构；（3）基于人工势能场方法与虚拟领航者思想，设计了水下滑翔器编队系统相对位置协同策略与姿态协同策略；（4）分析并得到了海洋环境中不确定性海流对水下滑翔器编队系统性能的影响规律。本项目研究工作为水下滑翔器集群编队系统在海洋观测领域的应用提供理论研究方法,对揭示海洋内部微观运动机理具有重要科学意义。