张翼超, 周徐昌, 沈建森, 石汉成



基于BTT控制的无人水下航行器动力学模型

张翼超1, 周徐昌1, 沈建森1, 石汉成2

(1. 海军工程大学 兵器工程系, 湖北 武汉, 430033; 2. 海军蚌埠士官学校 兵器系, 安徽 蚌埠, 233012)

针对传统采用侧滑转弯(STT)控制技术的无人水下航行器(UUV)快速机动时由于侧滑产生较大诱导力矩及其自动驾驶仪三通道间产生较强的耦合而降低其控制系统稳定性的问题, 提出了采用倾斜转弯(BTT)控制技术的改进方法。根据UUV的航行动力学模型与倾斜转弯控制的特点, 对UUV空间动力学方程进行了必要的简化, 得到了基于BTT控制技术的UUV动力学模型, 并从自动驾驶仪设计的简便性出发, 提出了利用其法向过载作为状态变量的全状态可测量数学模型, 为进一步设计基于BTT控制技术的UUV控制系统提供参考。

无人水下航行器; 倾斜转弯; 动力学模型

0 引言

无人水下航行器(unmanned underwater vehi- cles, UUV)在海洋调查, 环境监测, 水下工程等民用及军用领域都有广泛的应用, 在UUV发展过程中, 其机动性是关键技术之一[1-2]。对传统的采用侧滑转弯(skid-to-turn, STT)技术[3]的UUV而言, 快速机动是通过较大的俯仰角及侧滑角提供相应的俯仰力矩与偏航力矩来实现的, 而侧滑 将引起UUV诱导力矩过大而降低稳定性, 同时快速机动致使自动驾驶仪各通道间产生强耦合而失去其合理性。倾斜转弯(bank-to-turn, BTT)是飞机与导弹常采用的控制技术[4-5], 但对UUV来说, BTT控制技术尚未引起人们的广泛关注。

采用BTT控制技术的UUV运动过程中, 滚动控制系统快速把最大升力面转到理想的机动方向, 同时俯仰控制系统控制UUV在最大升力面内产生需要的机动加速度[6]。……