水下滑翔機(jī)控制策略研究的國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1國內(nèi)研究現(xiàn)狀天津大學(xué)王樹新教授團(tuán)隊(duì)在水下滑翔機(jī)的研制和控制方面進(jìn)行了多年研究，研制出了多種型號的水下滑翔機(jī)，如圖1-8所示，圖1-2(a)為“海燕-II”號（Petrel-II）水下滑翔機(jī)ADDINNE.Ref.{FF3C4761-D2DD-416C-81AB-54436A8B6DE4}[16-18]，其設(shè)計深度1500m，目標(biāo)航程1500公里，長3.2m（含天線），翼展1.2m。主體外形為帶平行中體的Myring形，外徑0.22m，重68kg。其耐壓殼為6061T6鋁合金材質(zhì)的分段加筋圓柱殼，浮力調(diào)節(jié)的最大油量為1.4L，經(jīng)濟(jì)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試試驗(yàn)；圖1-8(b)為目標(biāo)深度200m的“海燕-200”淺水型水下滑翔機(jī)；圖1-8(c)為“海燕-重載”水下滑翔機(jī)，由青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室海洋觀測與探測聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)部分)研制；圖1-8(d)為“海燕-L”號水下滑翔機(jī)，于2018年6月至11月在南海進(jìn)行海試中，連續(xù)航行141天，完成了734個剖面的水文環(huán)境參數(shù)觀測，航程3619.6kmADDINNE.Ref.{8092A668-39AB-4B20-A974-D866191AE0E4}[19]。 (a)“海燕-II”水下滑翔機(jī) (b)“海燕-200”水下滑翔機(jī) (c)“海燕-重載”水下滑翔機(jī) (d)“海燕-L”水下滑翔機(jī)圖1-SEQ圖1-\*ARABIC8天津大學(xué)“海燕”號系列水下滑翔機(jī)Figure1-8PetrelseriesUnderwaterGliders,TianjinUniversity中國科學(xué)院沈陽自動化研究所成功研制了具有海洋環(huán)境觀測功能的“海翼”(Sea-wing)常規(guī)型水下滑翔機(jī)ADDINNE.Ref.{EE138366-9E10-4E44-A129-3EF22C7E0A1A}[20]，如圖1-9所示。該水下滑翔機(jī)采用帶平行中體的橢球形主體和NACA翼型的機(jī)翼，用鋁合金圓柱殼體作為其耐壓艙，采用橢球形和球冠形ABS材料端蓋作為導(dǎo)流罩以改善水動力性能，通過尾舵間歇擺動調(diào)節(jié)航向，于2008年和2011年先后在青山湖和中國南海海域進(jìn)行了湖泊試驗(yàn)和海洋試驗(yàn)，證明了該水下滑翔機(jī)作為水下觀測平臺的可行性，后續(xù)還完成了指定區(qū)域觀測實(shí)驗(yàn)和長航程觀測實(shí)驗(yàn)等海事活動。圖1-SEQ圖1-\*ARABIC9“海翼”號水下滑翔機(jī)Figure1-9Sea-wingUnderwaterGlider此外，華中科技大學(xué)響應(yīng)國家“十二五”的號召，在國家“863”計劃下研制了噴水推進(jìn)型的深?；铏C(jī)，其最大下潛深度可達(dá)到1200m。中國船舶重工集團(tuán)有限公司第702研究所、第710研究所，西北工業(yè)大學(xué)，浙江大學(xué)也都對水下滑翔機(jī)有著不同程度研制開發(fā)ADDINNE.Ref.{CBBFB61F-577B-4F6E-A184-0A4918ED4F24}[19]。2水下滑翔機(jī)控制策略研究現(xiàn)狀我國于21世紀(jì)初開始進(jìn)行水下滑翔機(jī)的研發(fā)，目前已經(jīng)成功研制出多種型號的水下滑翔機(jī)，但在水下滑翔機(jī)控制研究，包括動力學(xué)模型研究、水動力研究、姿態(tài)控制研究等方面與國外先進(jìn)水平仍存在較大差距ADDINNE.Ref.{EBE65073-427C-49CA-A080-F17E73B71ECD}[21]。美國普林斯頓大學(xué)的Leonard教授團(tuán)隊(duì)在水下滑翔機(jī)控制方面進(jìn)行了大量研究并取得了多項(xiàng)成果。2001年，Leonard等以ROGUE為研究對象，基于牛頓-歐拉方程建立了ROGUE的多體動力學(xué)模型，并且利用幾何力學(xué)和動力學(xué)理論對實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)動行為進(jìn)行動力學(xué)分析，并在此基礎(chǔ)上得到了縱向運(yùn)動的動力學(xué)模型，分析了縱向穩(wěn)定滑翔運(yùn)動，并基于線性化的動力學(xué)模型設(shè)計了反饋控制器ADDINNE.Ref.{3447FCAF-8F37-4E53-883C-48A17D8A4BC5}[22]；2001年，Graver等利用反饋方法將控制量由作用于質(zhì)量塊上的力等效為質(zhì)量塊的加速度，并將等效運(yùn)動?？旒铀俣却笮榭刂屏窟M(jìn)行控制仿真，以實(shí)現(xiàn)對仿真模型高精度控制ADDINNE.Ref.{916ED7F2-E10D-4233-887C-905D3E12AC5A}[9]；2003年，Graver等利用參數(shù)辨識方法對Slocum水下滑翔機(jī)水動力等參數(shù)進(jìn)行評估，該方法對水下滑翔機(jī)的運(yùn)動控制研究有指導(dǎo)意義ADDINNE.Ref.{7C1A7063-C83C-4E34-9F23-F723C3DCCAA1}[23]；2004年，Bhatta基于水動力模型構(gòu)建了水下滑翔機(jī)的李雅普諾夫函數(shù)，研究了水下滑翔機(jī)的運(yùn)動穩(wěn)定性ADDINNE.Ref.{90FF0635-4A78-4D9D-8E7C-950E35829D13}[24]；美國弗吉尼亞理工暨州立大學(xué)的Woolsey教授團(tuán)隊(duì)深入研究了水下滑翔機(jī)的控制策略，于2005年利用哈密頓模型為基礎(chǔ)建立了水下滑翔機(jī)的動力學(xué)模型ADDINNE.Ref.{FC02237E-B733-44FD-AB29-8A36221685C2}[25]；2007年，Mahmoudian等利用正則攝動理論分析了水下滑翔機(jī)的三維回轉(zhuǎn)運(yùn)動，將質(zhì)量塊的轉(zhuǎn)動視為縱向運(yùn)動的擾動，在此基礎(chǔ)上得到了其運(yùn)動的解析解，通過數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)質(zhì)量塊轉(zhuǎn)動角度較小時可以得到較準(zhǔn)確的解析解，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制方面的研究ADDINNE.Ref.{82144BF8-976B-4B08-904F-779CB234834E}[26]；2008年，Kraus等以攻角和浮力調(diào)節(jié)量作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計了縱向運(yùn)動的控制器，并分析了不同權(quán)重下各個控制量對控制結(jié)果的影響ADDINNE.Ref.{0D959E63-2543-4D4B-BC12-917BC6972D99}[27]；2011年，Hussain等利用系統(tǒng)辨識理論建立了水下滑翔機(jī)的動力學(xué)模型，通過控制浮力調(diào)節(jié)速率調(diào)節(jié)凈浮力、深度和縱傾角等參數(shù)的大小，分析了各參數(shù)之間存在的聯(lián)系A(chǔ)DDINNE.Ref.{AA6F3616-0137-4B9B-80D5-33E80D65BC14}[28]；2011年，孫秀軍利用浮基多剛體理論和魚雷水動力模型建立了水下滑翔機(jī)的動力學(xué)方程ADDINNE.Ref.{CF5B77E6-2BBE-489E-94A2-E3D9F111310E}[29]；2012年，張少偉等采用兩點(diǎn)邊值的優(yōu)化控制方法優(yōu)化了水下滑翔機(jī)的潛浮切換過程中機(jī)翼受力不對稱產(chǎn)生的無升力現(xiàn)象而導(dǎo)致的切換過程不穩(wěn)定的問題ADDINNE.Ref.{BE1DBA68-9292-454A-86CC-82F4CC704DA7}[30]；2014年，牛文棟對“海燕”號水下滑翔機(jī)進(jìn)行了多體動力學(xué)建模，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了“海燕”在縱平面內(nèi)的線性和非線性控制器，并提出了用于混合驅(qū)動水下滑翔機(jī)的路徑規(guī)劃方法ADDINNE.Ref.{B14C9464-C538-420D-87EC-F6011930C7E9}[31]；2016年，劉金夫基于重疊網(wǎng)格技術(shù)，選用SSTk-ω湍流模型，運(yùn)用數(shù)值仿真計算不同狀態(tài)的水下滑翔機(jī)滑翔運(yùn)動，以及不同洋流速度下的水下滑翔機(jī)滑翔運(yùn)動ADDINNE.Ref.{F80A8B2C-C41B-47BC-9B96-B33ECCCFF92F}[32]。較早的部分文獻(xiàn)為了簡化建模過程，將水下滑翔機(jī)的回排油運(yùn)動視為油囊體積的變化引起的浮力的改變，且將這種變化用單獨(dú)在外油囊處的作用力來體現(xiàn)?，F(xiàn)在，主流文獻(xiàn)將水下滑翔機(jī)可浸水艙部分的海水作為其自身的一部分，但是對水下滑翔機(jī)的建模的影響考慮不充分，僅引入了浮力調(diào)節(jié)質(zhì)量的概念，缺少油液質(zhì)量的轉(zhuǎn)移過程的描述以及對可浸水艙部分的海水質(zhì)量的準(zhǔn)確計算，進(jìn)而導(dǎo)致建模過程的排回油行為表述不準(zhǔn)確，并且隨著深度的變化其海水密度和壓強(qiáng)對浮力的影響也未反映到水下滑翔機(jī)的動力學(xué)模型。此外，由于運(yùn)動過程中易受海洋洋流的影響而改變運(yùn)動軌跡，導(dǎo)致現(xiàn)有水下滑翔機(jī)模型不能較好的反映其真實(shí)的運(yùn)動行為，其模型的有效性較為局限，因此現(xiàn)在水下滑翔機(jī)主要采用是不依賴于模型的控制方法，其中包括自適應(yīng)控制、模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制ADDINNE.Ref.{8E36025E-65F0-44AD-B40D-3C5E0429DEA3}[33,34]。傳統(tǒng)的控制方法比較簡單，且容易應(yīng)用在工程實(shí)踐上，但存在精度和能源利用率低等問題；而隨后發(fā)展起來的控制方法雖然提高了控制精度，但是對于水下滑翔機(jī)適用性不強(qiáng)，且大部分仍處于實(shí)驗(yàn)和仿真階段ADDINNE.Ref.{50E75FA4-CEA1-421D-91D4-50A018CEA0BF}[35]?？偟膩碚f，在水下滑翔機(jī)的理論研究、整機(jī)研制和應(yīng)用方面，美國都處于領(lǐng)先地位，中國水下滑翔機(jī)的研究正在迅速發(fā)展，目前已經(jīng)研制出多臺樣機(jī)并進(jìn)行了海試試驗(yàn)。水下滑翔機(jī)關(guān)于控制器的研究大多處于理論研究階段，對于控制器的實(shí)際應(yīng)用有較大改進(jìn)的空間，將水下滑翔機(jī)本身搭載傳感器得到的環(huán)境參數(shù)作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)導(dǎo)入到模型中，將仿真得到的部分參數(shù)作為下次水下滑翔機(jī)運(yùn)動的控制參數(shù)，適合水下滑翔機(jī)的控制流程并可增強(qiáng)其在洋流環(huán)境下的控制能力和整體的運(yùn)動性能。參考文獻(xiàn)[1] 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