圆碟形水下滑翔机是一种新概念的水下滑翔机,凭借高度对称的全翼身设计,具有全向运动特性,灵活性极强。此外,圆碟形水下滑翔机还兼具常规水下滑翔机的优点,例如,耗能低、续航力持久、远程监测等。其不仅能在水下剖面内完成长时间、大范围的锯齿形运动,又能同鱼雷形水下滑翔机一样完成螺旋运动。圆碟形水下滑翔机凭借高度对称的全翼身外形,在姿态调节系统和浮力调节系统的协同作用下能够沿机身任意方向滑翔,具有全向运动特点。圆碟外形为滑翔机带来了较大的垂向阻力,使其能够以较小的垂直速度完成零俯仰角垂直运动,这不仅提升了滑翔机的水下悬停能力,更降低了定深运动对滑翔机浮力调节系统的精度要求。与此同时,圆碟形水下滑翔机在微力矩控制技术的支持下,通过姿态调节系统可以控制其实现原地转向运动,在提高了滑翔机机动性的同时,降低了其对工作空间尺度的要求。零俯仰角垂直运动方法和原地转向运动方法大大增强了圆碟形水下滑翔机在小水体内的机动能力,将滑翔机的工作范围从深海延伸到了近海,拓展了滑翔机的应用领域。本文依托国家重点专项项目,面向我国加快建设海洋强国战略的需求,设计和研制了圆碟形水下滑翔机试验样机,本文以该试验样机作为研究对象,主要进行了以下方面的研究:(1)基于圆碟形水下滑翔机的对称结构特征和工作原理,建立了滑翔机的运动控制模型并对其进行了合理简化和修正,并依据该模型进行了滑翔机直线定常运动性能和螺旋定常运动性能的仿真分析。(2)为解决粘性水动系数在分析圆碟形水下滑翔机全向运动和转向运动时的不适用性问题,本文提出了坐标系变换法,在速度坐标系中求解滑翔机的运动控制模型来预报其真实的全向运动和转向运动性能。(3)基于圆碟形水下滑翔机的结构特征和弱控特点,本文提出零俯仰角垂直运动方法和原地转向运动方法,并通过运动仿真对这两种运动方法进行了初步验证,全面分析了这两种运动方法下滑翔机的运动性能和运动特性。此外,本文还通过灵敏度分析研究了控制参数对滑翔机运动性能影响的重要程度,并基于李雅普诺夫第一定理分析了滑翔机运动的开环稳定性。(4)基于圆碟形水下滑翔机试验样机开展水池试验和湖上试验,试验主要测试样机的预期功能和滑翔性能指标。本文研究表明:(1)基于本文提出的坐标系变换法,在仿真分析圆碟形水下滑翔机全向运动和转向运动时很好地解决了粘性水动力系数的不适用性问题。(2)圆碟形水下滑翔机受到的垂向流体阻力比传统水下滑翔机更大,这会导致圆碟形水下滑翔机的垂直速度更小、达到稳定状态时的加速和减速过程更短,其优点是有利于滑翔机定深运动的精确控制,但缺点是不适合于对垂直速度要求较高的深水实时动态监测。(3)排水体积的微小变化对圆碟形水下滑翔机垂直运动性能的影响较小,其垂直深度对排水体积变化的灵敏度系数低于混合驱动水下滑翔机,这有利于降低滑翔机对浮力调节系统的精度要求,且更容易实现在目标深度的动态深度控制。(4)圆碟形水下滑翔机在垂直运动中受到外界小扰动后能够迅速恢复至稳定状态,并且小扰动对滑翔机恢复至稳定状态所需的垂直深度的影响很小。(5)与鱼雷形水下滑翔机相似,圆碟形水下滑翔机也可以通过调节平移质量和浮力来完成常规的转向运动,不同之处在于圆碟形水下滑翔机的转向半径较小。此外,圆碟形水下滑翔机还可以通过仅调节平移质量而无需调节浮力来实现原地转向运动,这不仅可以降低转向运动控制的难度,而且还可以减少能量损耗,提高滑翔机的续航力。(6)与鱼雷形水下滑翔机相比,圆碟形水下滑翔机的原地转向运动方法大大降低了滑翔机转向运动对空间尺度的要求,并且圆碟形水下滑翔机的偏航角变化迅速,达到目标角度所需的时间更短。原地转向运动方法的提出进一步发挥了圆碟形水下滑翔机的结构优势,提高了其在小水体内的机动能力。(7)对原地转向运动性能的仿真分析和敏感度分析表明,圆碟形水下滑翔机的原地转向运动性能受控制参数的影响显著,其偏航角对控制参数yG的变化最为敏感。研究结果可指导滑翔机在不同工作环境下的控制参数的调整,从而更好地发挥滑翔机的原地转向运动性能。(8)李雅普诺夫稳定性分析表明,控制参数在一定范围内变化时,圆碟形水下滑翔机能够保持运动的开环稳定性。(9)水池试验和湖上试验的结果表明,圆碟形水下滑翔机的设计是可行的,样机达到了预期功能和滑翔性能指标。此外,试验还验证了本文仿真分析的合理性和准确性。本文对圆碟形水下滑翔机的运动性能和特性进行了仿真分析和试验研究,其创新性体现在以下方面:(1)基于圆碟形水下滑翔机的结构特点和工作原理,通过对其动力学模型和水动力模型的合理简化和修正,建立了适用于分析其运动特性的运动控制模型。(2)针对粘性水动力系数的不适用性问题,提出了在速度坐标系求解滑翔机的运动控制方程来获得其真实的全向运动和转向运动性能的坐标系变换法。(3)针对圆碟形水下滑翔机垂向流体阻尼较大的特点,提出了零俯仰角垂直运动方法,提高了滑翔机的水下悬停能力。(4)针对圆碟形水下滑翔机转向运动的弱控特征,提出了原地转向运动方法,提高了滑翔机在小水体内的机动能力。
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