水下滑翔机三维定常运动建模与分析.pdf

《水下滑翔机三维定常运动建模与分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第33卷第l期2014年2月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．33，No．1Feb。2014水下滑翔机三维定常运动建模与分析赵宝强1，王晓浩1，姚宝恒2，连琏12，曹俊亮2(1．清华大学精密仪器系，北京100084；2．上海交通大学海洋研究院船舶与海洋工程国家重点实验室，上海200240>摘要：针对水下滑翔机运动过程中的特点，水下滑翔机实际运动过程可以分为定常运动段和非定常运动段．对自设计的水下滑翔机原理样机建立了基于单刚体六自由度的定常运动段的数学模型并进行了数值仿真．在此基础上分别对水下滑翔机运动过程中的两种定常运动一直线定常运动和螺旋定常运动进行

2、了分析。结论显示在直线定常运动中俯仰角和攻角随平移质量块住置的增大先变化迅速后变化缓慢。滑翔角随平移质量块位置的增大近似呈线性增大的关系。在螺旋定常运动中通过模型仿真得到螺旋运动特征参数(螺旋半径、螺旋线螺距、螺旋时间周期、速度)和状态参数(滑翔角、翻滚角、各方向速度分量、各方向角速度分量)，根据最小二乘法拟合得到它们之间的关系。从而说明了螺旋运动状态是如何通过调整平移质量块移动距离。旋转质量块旋转角度和净重力等控制量而变化的。关键词：水下滑翔机；定常运动；数学建模；仿真中图分类号：P715．5文献标志码：A文章编号：1003—2029(2014)01—001l一08水下滑翔机是一种新

3、型的水下机器人，它通过改变自身重心相对于浮心的位置和净重力的大小来驱动滑翔机在水下的运动，它通过调节尾舵舵角或改变横滚姿态实现转向，水下滑翔机定期浮上水面，向岸基控制站发送探测数据，并接受控制指令和GPS(全球定位系统)的定位信息，实现了水下机器人长时间的自主航行。现有水下滑翔机能以0．25m／s的速度航行上千千米，航行时间可达数月㈣，同时其成本低、噪音小、自主性强、维护费用低、重复利用率高、操作简单、对母船依赖性小、可实现编队协同作业等优点使得水下滑翔机具有广阔的应用前景㈣。水下滑翔机的原始概念由美国海洋学家HenryStommel于1989年提出【7】，并由海洋学家DougWebb

4、等人于1995年研制出电池驱动的水下滑翔机Slocum，用于海洋科学研究[81。随后美国又陆续研制出了Seaglider，Spray和温差能驱动水下滑翔机Slocum等水下滑翔机⋯】。Leonard和Graver_[12-131建立了水下滑翔机动力学模型，但文中没有对三维定常运动特性进行分析；BhaltaI¨对螺旋定常运动的特征参数进行了分析，但缺乏对螺旋定常运动状态参数随控制量变化规律的研究。本文对水下滑翔机原理样机进行了三维定常运动动力学建模与仿真，并分别对直线定常运动和螺旋定常运动的运动规律进行了分析。从丽更好地理解水下滑翔机的运动状态和运动规律。1三维定常运动模型对于恒定浮力、

5、内部质量块位置固定的水下滑翔机，在SE(3)构造空间下，通过Frenet—Serret方程可以证明水下滑翔机的定常运动状态为无旋直线运动和竖直螺旋运动114i，所以水下滑翔机实际运动收稿日期：2013—09—04基金项目：国家科技重大专项资助项目(2011ZX05027)；国家自然科学基金资助项目(51279107)；上海市科研计划资助项目(13dzl204600)作者简介：赵宝强(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为水下滑翔机技术。Email：dmuzbq@126．com通讯作者：连琏，Email：llian@sjtu．edu．ca12海洋技术学报第33卷图1水下滑翔机原理样

6、机外形图2水下滑翔机原理样机模型示意图过程可以分为定常运动段和非定常运动段。由于水下滑翔机长时间处于定常运动段，接下来对水下滑翔机三维定常运动进行数学建模。水下滑翔机原理样机设计外形如图1所示。水下滑翔机可以认为是5个具有独立自由度质量块的组合，分别为平移质量块、旋转质量块、补偿质量块、压载质量块和均布质量。如图2所示，在定常运动状态下，忽略压载质量块重心的微小变化，所有质量块保持相对静止状态，水下滑翔机可认为是六自由度单刚体模型。1．1坐标系除惯性坐标系(静坐标系)0一洳以外，在水下滑翔机上建立以浮心CB为原点的CB—e。e：e，体坐标系(动坐标系)[15,．-18]，如图2所示，e

7、。轴沿圆柱形轴线向艏部方向；e：轴垂直于e。轴向右机翼方向．e3轴垂直于e。轴向下方向。两个坐标系之间的转换由旋转矩阵尺描述，由欧拉角(偏航角妒一俯仰角9一翻滚角沙)表示的旋转矩阵尺描述了从体坐标系到惯性坐标系转换的过程【121。R的表达式为：／coslflcosO-sintIbcostp+coslfIsin日sin妒sintfIsin妒+cosq)sinocostp、R=Isintf，cosecostfIcostp+sintflsin日sin