张福斌, 汪 刚 , 陈宇航, 鲍鸿杰



水下滑翔机建模与运动PID控制

张福斌1,2, 汪 刚1, 陈宇航1, 鲍鸿杰1

(1.西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072; 2.水下信息处理与控制国家级重点实验室, 陕西 西安, 710072)

水下滑翔机是一种浮力驱动的新型水下航行器, 其特殊的驱动方式和结构特点增加了建模和控制分析的复杂度。为获得准确有效的水下运动控制方法, 本文通过滑翔机运动学和动力学分析, 建立了较为完善的3D空间数学模型, 并进行了合理的假设和简化, 得到纵平面内小扰动线性化模型。在此基础上, 设计了比例积分微分(PID)控制器。并针对滑翔机的纵平面运动进行了仿真分析, 结果显示, PID控制器有很好的干扰抑制能力和跟踪性能, 由此也验证了纵平面内滑翔机的运动特性。

水下滑翔机; 比例积分微分控制器(PID); 动力学模型; 线性化模型

0 引言

水下滑翔机是一种新型自主式水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV), 它具有水平固定翼和尾翼, 可通过浮力控制装置及内部移动质量块来控制和调节浮力及姿态以实现水下纵平面的锯齿形滑翔运动, 并通过操舵或改变横滚姿态实现转向[1]。与传统水下航行器相比, 它具有机动灵活性强、噪音小及续航力强等特点。可应用于军事情报收集、侦察、监视、网络中心战、环境监测、生物观察及水体特性调查等方面。水下滑翔机可单独工作也可组群协作, 并由远程控制或根据实时数据进行任务使命的自适应调整。

自20世纪末, 美国、法国、加拿大和日本等先后对水下滑翔机展开了深入研究, 促使其技术有了较大发展。……