水下滑翔机的运动模型建立及仿真

水下滑翔机的水下运动是六自由度多姿态运动,建立空问动力学数学模型是为计算机仿真时对系统进行比较准确的描述和运动状态进行研究.另外在详细分析水下滑翔机姿态调节系统中的滑动质量块移动及重浮力调节系统中压舱载荷变化并在滑翔机本身运动耦合的基础上,经过合理的简化建立了六自由度的空问运动数学模型.最后对水下滑翔机的垂直面运动进行了仿真分析,仿真结果准确地反映了水下滑翔机的运动规律和操纵特点.     

水下滑翔机总体设计与运动分析

水下滑翔机是一种浮力驱动的新型水下无人运载器,但是一直以来较低的巡航速度是制约其广泛应用的一个关键因素。为提高水下滑翔机的巡航速度,首先应通过对水下滑翔机的壳体和滑翔翼进行优化设计,并且从做功的角度规划出最佳滑翔路径,设计了一种新型的高速、高效水下滑翔机。最后,通过运动弹道的仿真分析,验证了水下滑翔机设计方法的有效性和总体性能的优越性。     

多圆碟形水下滑翔机的双层协调三维路径规划

本文研究了欠驱动圆碟形水下滑翔机集群在海流干扰和水下碍航物影响下的三维路径规划问题. 具体地: 第一, 根据圆碟形水下滑翔机的航行特点, 建立了相应的航行时间模型, 设计了三维路径规划的优化目标; 第二, 提 出了一种基于双层协调的多水下滑翔机三维路径规划结构, 采用基于三维离散空间的全局路径规划和基于人工势 场法的局部路径规划, 避免了滑翔机与碍航物以及不同优先级的滑翔机之间发生碰撞; 第三, 基于双层协调路径规 划结构, 采用基于量子行为的自适应粒子群优化方法完成了时间最优目标下多圆碟形水下滑翔机的三维路径规划. 仿真结果验证了所提多圆碟形水下滑翔机三维路径规划方法的有效性.     

多水下滑翔机海洋采样路径规划

提出了以时间为优化准则的多水下滑翔机海洋采样路径规划算法.首先,根据水下滑翔机的个数,通过空间聚类算法,把多水下滑翔机的路径规划问题转化为单水下滑翔机的路径规划问题;然后,利用2步CLK(chained Lin-Kernighan)算法,优化每一个采样子空间中的采样路径;设计了扩散算法,调节各个采样子空间的采样点,使得完成整个采样任务需要的时间最短;最后,以Sea-wing水下滑翔机为例,对上述方法进行了仿真验证,结果显示所提出的方法能够有效地降低采样作业的采样时间.     

海洋中尺度涡旋观测任务中的水下滑翔机协同控制策略

为了实现以水下滑翔机为平台,组队进行海洋中尺度涡旋的采样观测任务,提出了一种水下滑翔机队形协同控制方法．该控制方法可以使滑翔机能够完成以涡旋中心为圆心的预定圆形轨迹的循迹采样,同时在采样过程中能够使滑翔机保持任意预定的相对位置关系．首先,利用极坐标系对滑翔机的队形参数进行建模;然后根据队形参数提出对应的能量方程;最后通过最小化能量方程的导函数,制订相应的水下滑翔机航向控制律．通过建立仿真系统并对不同的轨迹参数进行仿真,在涡旋中心恒速运动和变速运动的情况下,载体均实现了对涡旋区域内不同半径圆形轨迹的跟踪采样观测任务,证明了该方法能够满足圆形预定轨迹上滑翔机队形保持的要求,为进行海洋中尺度涡旋区域组队观测采样提供了一种有效的队形控制方法．     

水下滑翔机海洋环境深平均流估计方法

提出了水下滑翔机海洋环境深平均流估计方法．首先,基于水下滑翔机稳态运动模型,研究海水密度差异和耐压舱体压缩变形对水下滑翔机运动速度的影响,建立水下滑翔机运动速度快速计算模型,并证明了该模型的正确性及有效性．然后,利用得到的水下滑翔机运动速度和船位推算方法结合,给出了海洋环境深平均流估算方法．利用该深平均流估算方法对3台水下滑翔机海上试验过程中的深平均流进行估算,并分析了估算结果的有效性．实验结果证明利用本文得到的深平均流可以提高水下滑翔机船位推算中的定位精度．     

水下滑翔机垂直面运动优化控制

水下滑翔机是一种依靠水动力和净浮力驱动的新型水下机器人. 本文分析了滑翔机在垂直面滑翔时, 浮力变化和内置可动质量块位置变化对滑翔机运动状态的影响．针对滑翔机在潜浮切换时, 由于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, 采用两点边值的优化控制方法, 规划了内置质量块的位量, 以消除滑翔机在潜浮切换过程中各个时刻产生的不对称无升力现象．最后给出了滑翔机实际机械系统可接受的最优控制 方案. 仿真表明了这种优化方法的有效性.     

基于Q学习的水下滑翔机路径规划方法

针对水下滑翔机路径规划问题，提出了一种基于Q学习的水下滑翔机路径规划方法。考虑到水下滑翔机在执行一些特定任务时会提前给定俯仰角及深度参数，且航向角选择范围通常是几个离散角度值，本文针对典型的几种俯仰角情况分别设计了航向动作选择集，这避免了Q学习方法“维数爆炸”问题。根据水下滑翔机航程最短的目标和障碍物外部约束条件，设计了奖励函数与动作选择策略。相较于传统路径规划方法，本文提出的方法不需要提前知道环境信息，而是在学习过程中根据环境的反馈选择最优动作，因此该方法在不同的环境条件下有优良的迁移能力。仿真结果表明，该方法能在未知环境中为水下滑翔机规划出规避障碍且航程短的路径。     

水下滑翔机外形设计与运动仿真

研究水下机器人运动规律控制问题,为了探究水下滑翔机在定常状态下的运动特性,针对辨识定常状态下水动力参数,对其定常运动状态下运动参数与控制变量的关系进行控制.根据分析,水下滑翔机攻角α随xG的增大而减小,俯仰角0随xG的增大而增大,净浮力质量mo对攻角α和θ的影响较小;航行速度v随XG、mo增加而增大;水下滑翔机在定常滑翔过程中,滑翔角ζ与攻角α成反比.对动规律在MATLAB上进行仿真,结果表明,对于某一特定净浮力质量,存在一个滑翔角,使得速度比值达到最大时,水平航行距离最远.为水下滑翔机的控制系统设计提供依据.     

基于CARMA模型的水下滑翔机自适应控制

水下滑翔机在设计和海中实际应用过程中存在模型参数的不确定性和外部环境的复杂性,要求控制器具有良好的自适应性,在水下滑翔机三维定常运动模型基础上,以俯仰回路模型为例设计了基于CARMA模型的改进广义预测自适应控制器.上述控制器应用遗忘因子递推最小二乘法对系统参数进行实时辨识.在对控制器进行了仿真后,对CARMA模型参数全部突变这一恶劣情况进行仿真并与PID控制对比,结果表明改进控制算法具有良好的快速性、稳定性和自适应性.     

Differential evolution and underwater glider path planning applied to the short-term opportunistic sampling of dynamic mesoscale ocean structures

This paper presents an approach where differential evolution is applied to underwater glider path planning. The objective of a glider is to reach a target location and gather research data along its path by propelling itself underwater and returning periodically to the surface. The main hypothesis of this work is that gliders operational capabilities will benefit from improved path planning, especially when dealing with opportunistic short-term missions focused on the sampling of dynamic structures. To model a glider trajectory, we evolve a global underwater glider path based on the local kinematic simulation of an underwater glider, considering the daily and hourly sea currents predictions. The global path is represented by control points where the glider is expected to resurface for communication with a satellite and to receive further navigation instructions. Some well known differential evolution instance algorithms are then assessed and compared on 12 test scenarios using the proposed approach. Finally, a real case glider vessel mission was commanded using this approach.     

混合驱动水下滑翔器主从互转式应急控制技术研究

水下滑翔器是一种长续航新型水下机器人,利用其高效的驱动方式能够航行数月,因而相比其他无人水下自主航行器,滑翔器控制系统的可靠性显得尤为关键。根据水下滑翔器长续航的工作需求,结合其分布式控制系统的架构形式,设计了一种主从互转式应急控制技术。通过CPU互监控以及建立公共存储区等手段,实现了控制器异常情况下的非复位式热切换,保证了滑翔器重要动作部件的正常运行。试验结果表明,利用主从互转式控制方式,可以极大的减小了控制系统中主CPU宕机对滑翔器自主运行的影响,增加水下滑翔器的安全性能。     

基于GPRS的水下滑翔机器人监控系统设计

水下滑翔机器人具有续航能力强、作业时间长等特点，适合于大范围海洋环境监测应用，可用于构建近海海洋环境立体监测网络。利用近海较好的GPRS网络覆盖条件，设计了基于GPRS网络的近海水下滑翔机器人监控系统。该监控系统不仅实现了在现场监控中心对水下滑翔机器人的监控，还可以通过Internet网络对水下滑翔机器人进行远程监控。文章详细介绍了监控系统的总体架构、GPRS终端硬件设计和系统软件设计。     

能耗最优的水下滑翔机采样路径规划

研究了以能耗为优化准则的水下滑翔机海洋环境参数采样路径规划方法.首先,根据水下滑翔机的运动特点,建立了水下滑翔机采样作业过程的能耗模型;其次,基于能耗模型提出了一种能耗最小的滑翔运动参数优化方法,该方法避免了求解复杂的混合整数非线性规划问题;之后,在能耗最优的滑翔运动参数优化基础上,提出了一种基于两步链式Lin-Ker...     

水下滑翔机器人控制系统设计与实现

本文以水下滑翔机器人为研究对象,首先简要介绍了水下滑翔机器人的总体结构,然后重点研究了其控制系统的设计方案,阐述了控制系统软、硬件的设计与实现,通过水下滑翔机器人湖试验证了控制系统设计合理,运行正确,实现了水下滑翔机器人的基本运动。     

Modeling and Control of Hybrid-driven Gliding Motion for an Underwater Gliding Snake-like Robot

International Journal of Control, Automation and Systems - An underwater gliding snake-like robot (UGSR) combines the advantages of an underwater glider (UG) and an underwater snake-like robot...     

水下滑翔机器人运动调节机构设计与运动性能分析

描述了水下滑翔机器人3个运动调节机构的设计，即浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构，分析了运动调节机构与运动之间的关系．提出了采用CFX水动力计算软件分析水下滑翔机器人运动性能的方法．根据CFX计算结果，用最小二乘法参数辨识方法辨识出定常滑翔运动的水动力参数．简化了空间螺旋回转运动过程，通过CFX水动力计算方法进行回转特性分析，估算回转半径．