【《水下滑翔机控制策略研究的国内外文献综述》3000字】

水下滑翔机控制策略研究的国内外文献综述1国内研究现状天津大学王树新教授团队在水下滑翔机的研制和控制方面进行了多年研究，研制出了多种型号的水下滑翔机，如图1-8所示，图1-2(a)为“海燕-II”号（Petrel-II）水下滑翔机ADDINNE.Ref.{FF3C4761-D2DD-416C-81AB-54436A8B6DE4}[16-18]，其设计深度1500m，目标航程1500公里，长3.2m（含天线），翼展1.2m。主体外形为带平行中体的Myring形，外径0.22m，重68kg。其耐压壳为6061T6铝合金材质的分段加筋圆柱壳，浮力调节的最大油量为1.4L，经济航速0.28m/s，最大滑翔速度0.8m/s，于2014年在南海成功完成海试试验；图1-8(b)为目标深度200m的“海燕-200”浅水型水下滑翔机；图1-8(c)为“海燕-重载”水下滑翔机，由青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋观测与探测联合实验室(天津大学部分)研制；图1-8(d)为“海燕-L”号水下滑翔机，于2018年6月至11月在南海进行海试中，连续航行141天，完成了734个剖面的水文环境参数观测，航程3619.6kmADDINNE.Ref.{8092A668-39AB-4B20-A974-D866191AE0E4}[19]。 (a)“海燕-II”水下滑翔机 (b)“海燕-200”水下滑翔机 (c)“海燕-重载”水下滑翔机 (d)“海燕-L”水下滑翔机图1-SEQ图1-\*ARABIC8天津大学“海燕”号系列水下滑翔机Figure1-8PetrelseriesUnderwaterGliders,TianjinUniversity中国科学院沈阳自动化研究所成功研制了具有海洋环境观测功能的“海翼”(Sea-wing)常规型水下滑翔机ADDINNE.Ref.{EE138366-9E10-4E44-A129-3EF22C7E0A1A}[20]，如图1-9所示。该水下滑翔机采用带平行中体的椭球形主体和NACA翼型的机翼，用铝合金圆柱壳体作为其耐压舱，采用椭球形和球冠形ABS材料端盖作为导流罩以改善水动力性能，通过尾舵间歇摆动调节航向，于2008年和2011年先后在青山湖和中国南海海域进行了湖泊试验和海洋试验，证明了该水下滑翔机作为水下观测平台的可行性，后续还完成了指定区域观测实验和长航程观测实验等海事活动。图1-SEQ图1-\*ARABIC9“海翼”号水下滑翔机Figure1-9Sea-wingUnderwaterGlider此外，华中科技大学响应国家“十二五”的号召，在国家“863”计划下研制了喷水推进型的深海滑翔机，其最大下潜深度可达到1200m。中国船舶重工集团有限公司第702研究所、第710研究所，西北工业大学，浙江大学也都对水下滑翔机有着不同程度研制开发ADDINNE.Ref.{CBBFB61F-577B-4F6E-A184-0A4918ED4F24}[19]。2水下滑翔机控制策略研究现状我国于21世纪初开始进行水下滑翔机的研发，目前已经成功研制出多种型号的水下滑翔机，但在水下滑翔机控制研究，包括动力学模型研究、水动力研究、姿态控制研究等方面与国外先进水平仍存在较大差距ADDINNE.Ref.{EBE65073-427C-49CA-A080-F17E73B71ECD}[21]。美国普林斯顿大学的Leonard教授团队在水下滑翔机控制方面进行了大量研究并取得了多项成果。2001年，Leonard等以ROGUE为研究对象，基于牛顿-欧拉方程建立了ROGUE的多体动力学模型，并且利用几何力学和动力学理论对实验样机的运动行为进行动力学分析，并在此基础上得到了纵向运动的动力学模型，分析了纵向稳定滑翔运动，并基于线性化的动力学模型设计了反馈控制器ADDINNE.Ref.{3447FCAF-8F37-4E53-883C-48A17D8A4BC5}[22]；2001年，Graver等利用反馈方法将控制量由作用于质量块上的力等效为质量块的加速度，并将等效运动模快加速度大小为控制量进行控制仿真，以实现对仿真模型高精度控制ADDINNE.Ref.{916ED7F2-E10D-4233-887C-905D3E12AC5A}[9]；2003年，Graver等利用参数辨识方法对Slocum水下滑翔机水动力等参数进行评估，该方法对水下滑翔机的运动控制研究有指导意义ADDINNE.Ref.{7C1A7063-C83C-4E34-9F23-F723C3DCCAA1}[23]；2004年，Bhatta基于水动力模型构建了水下滑翔机的李雅普诺夫函数，研究了水下滑翔机的运动稳定性ADDINNE.Ref.{90FF0635-4A78-4D9D-8E7C-950E35829D13}[24]；美国弗吉尼亚理工暨州立大学的Woolsey教授团队深入研究了水下滑翔机的控制策略，于2005年利用哈密顿模型为基础建立了水下滑翔机的动力学模型ADDINNE.Ref.{FC02237E-B733-44FD-AB29-8A36221685C2}[25]；2007年，Mahmoudian等利用正则摄动理论分析了水下滑翔机的三维回转运动，将质量块的转动视为纵向运动的扰动，在此基础上得到了其运动的解析解，通过数据对比可以发现，当质量块转动角度较小时可以得到较准确的解析解，并在此基础上进行了控制方面的研究ADDINNE.Ref.{82144BF8-976B-4B08-904F-779CB234834E}[26]；2008年，Kraus等以攻角和浮力调节量作为优化目标，设计了纵向运动的控制器，并分析了不同权重下各个控制量对控制结果的影响ADDINNE.Ref.{0D959E63-2543-4D4B-BC12-917BC6972D99}[27]；2011年，Hussain等利用系统辨识理论建立了水下滑翔机的动力学模型，通过控制浮力调节速率调节净浮力、深度和纵倾角等参数的大小，分析了各参数之间存在的联系ADDINNE.Ref.{AA6F3616-0137-4B9B-80D5-33E80D65BC14}[28]；2011年，孙秀军利用浮基多刚体理论和鱼雷水动力模型建立了水下滑翔机的动力学方程ADDINNE.Ref.{CF5B77E6-2BBE-489E-94A2-E3D9F111310E}[29]；2012年，张少伟等采用两点边值的优化控制方法优化了水下滑翔机的潜浮切换过程中机翼受力不对称产生的无升力现象而导致的切换过程不稳定的问题ADDINNE.Ref.{BE1DBA68-9292-454A-86CC-82F4CC704DA7}[30]；2014年，牛文栋对“海燕”号水下滑翔机进行了多体动力学建模，并在此基础上设计了“海燕”在纵平面内的线性和非线性控制器，并提出了用于混合驱动水下滑翔机的路径规划方法ADDINNE.Ref.{B14C9464-C538-420D-87EC-F6011930C7E9}[31]；2016年，刘金夫基于重叠网格技术，选用SSTk-ω湍流模型，运用数值仿真计算不同状态的水下滑翔机滑翔运动，以及不同洋流速度下的水下滑翔机滑翔运动ADDINNE.Ref.{F80A8B2C-C41B-47BC-9B96-B33ECCCFF92F}[32]。较早的部分文献为了简化建模过程，将水下滑翔机的回排油运动视为油囊体积的变化引起的浮力的改变，且将这种变化用单独在外油囊处的作用力来体现。现在，主流文献将水下滑翔机可浸水舱部分的海水作为其自身的一部分，但是对水下滑翔机的建模的影响考虑不充分，仅引入了浮力调节质量的概念，缺少油液质量的转移过程的描述以及对可浸水舱部分的海水质量的准确计算，进而导致建模过程的排回油行为表述不准确，并且随着深度的变化其海水密度和压强对浮力的影响也未反映到水下滑翔机的动力学模型。此外，由于运动过程中易受海洋洋流的影响而改变运动轨迹，导致现有水下滑翔机模型不能较好的反映其真实的运动行为，其模型的有效性较为局限，因此现在水下滑翔机主要采用是不依赖于模型的控制方法，其中包括自适应控制、模糊控制以及神经网络等智能控制ADDINNE.Ref.{8E36025E-65F0-44AD-B40D-3C5E0429DEA3}[33,34]。传统的控制方法比较简单，且容易应用在工程实践上，但存在精度和能源利用率低等问题；而随后发展起来的控制方法虽然提高了控制精度，但是对于水下滑翔机适用性不强，且大部分仍处于实验和仿真阶段ADDINNE.Ref.{50E75FA4-CEA1-421D-91D4-50A018CEA0BF}[35]。总的来说，在水下滑翔机的理论研究、整机研制和应用方面，美国都处于领先地位，中国水下滑翔机的研究正在迅速发展，目前已经研制出多台样机并进行了海试试验。水下滑翔机关于控制器的研究大多处于理论研究阶段，对于控制器的实际应用有较大改进的空间，将水下滑翔机本身搭载传感器得到的环境参数作为关键数据导入到模型中，将仿真得到的部分参数作为下次水下滑翔机运动的控制参数，适合水下滑翔机的控制流程并可增强其在洋流环境下的控制能力和整体的运动性能。参考文献[1] 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