'水下滑翔机原理样机设计与分析',doc_type,pdf
水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究
Hydrodynamic analysis and optimization on the gliding attitude of the under water glider
¨
¨
式中 x 是沿 X 轴方向的加速度 , z 是沿 Z 轴方向的加
¨
速度 ,θ是旋转加速度 。
因此
马冬梅 ,等 :水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究
705
( F - G) ·sinθ = D t gθ = D/ L ( F - G) ·co sθ = L → G = F - L / co sθ (2)
角增大呈现减少趋势外 ,其他来流速度下 ,随攻角增 角增大 ,机翼侧面靠后部分压力逐渐增高而接近外界
大呈现先增大后减小的趋势 。最大阻力在 4°攻角左 环境压力 ,致使机翼压阻力呈现减小趋势 。但当来流
右 ,这与总阻力随攻角变化的趋势大体相同 。说明翼 速度较大时 (0. 8 m/ s) ,尾部涡对在很小攻角时就开
图 5 不同速度下阻力随攻角变化曲线
为了分析阻力变化趋势以及在水下滑翔机各部 分阻力所占的比重 ,将计算结果中的阻力分解为艇体 摩擦阻力 、翼摩擦阻力 、艇体压阻力和翼压阻力 。结 果如图 6 所示 。
由图 6 中可以看出艇体摩擦阻力基本上是随攻
706
水 动 力 学 研 究 与 进 展 2007 年第 6 期
MA Do ng2mei , MA Zheng , ZHAN G Hua , YAO Hui2zhi
(China Ship Scientific Research Center , Wuxi 214082 , China)
水下滑翔机平衡式浮力驱动技术及其效率分析
水下滑翔机平衡式浮力驱动技术及其效率分析摘要：本文首先阐述了水下滑翔机的运动机理，然后分析了当前主流滑翔机小型化的原因，创新性的提出平衡式浮力驱动技术来解决水下滑翔机大驱动力的问题，扩大了水下滑翔机的运用领域。
并对其浮力驱动效率进行分析，结果表明当滑翔机机翼升阻比一定时，选择合适的滑翔角，能使其驱动效率达到最高，为水下滑翔机的设计奠定了基础。
关键词：水下滑翔机；浮力驱动效率；升阻比10 引言水下滑翔机(Autonomous underwater glider简称AUG)是一种小型可重复使用的水下航行器，几十公斤的体积重量却能在深海大洋中航行几千公里。
水下滑翔机之所以能以娇小的身躯完成穿越大洋的壮举，是依靠浮力驱动的结果。
浮力驱动主要特点是浮力可调和重心可变，这种简单低能耗航行原理是由美国海洋学家Henry Stommel[1]于1989年发现的。
一些生物学家推测，海豚正是由于具有类似的能力而能够在水下游相当长的距离。
在保证自身重量不变的前提下，通过改变排水体积，产生剩余浮力变化，结合高效的流体动力布局，将深度空间上重力或浮力势能，反复转化为前进的动能，通过锯齿状滑行，完成高效率的受控航行。
水下滑翔机一经发明就深受科学家和军方青睐，已获得了相当广泛的应用。
近几年国内有多家单位对水下滑翔机的浮力驱动系统进行研究，浮力驱动系统的安装位置和大小对水下滑翔机的工作能力有较大影响。
例如天津大学的“海燕”号滑翔机将浮力驱动系统布置在头部，提高了滑翔机的机动性，适用于浅海的测量任务；沈阳自动化研究所的“海翼”号滑翔机将浮力驱动系统布置在艉部，有利于滑翔机滑翔过程中的控制精度和稳定性，适用于深海大深度的观测任务[2]；“海燕”[3]和“海翼”[4]的重量都在60kg左右，其浮力改变量为±0.5L。
本文在参考国内外几大典型水下滑翔机设计方案的基础上，分析水下滑翔机小型化的原因，从研究水下滑翔机浮力驱动系统入手，创新性的提出平衡式浮力驱动技术来解决水下滑翔机大驱动力的问题，扩大了水下滑翔机的运用领域，并通过对水下滑翔机浮力驱动效率的分析，得出浮力驱动效率主要受滑翔角和升阻比的影响，为水下滑翔机的后续设计提供了重要参考。
水下滑翔机的设计与控制
水下滑翔机的设计与控制随着科技的不断进步，水下滑翔机作为一种新型的无人遥测平台，逐渐引起人们的关注。
水下滑翔机是一种能够在水下按照预定的轨迹进行运动的自主水下航行器。
与传统人工控制的水下航行器相比，它具有更高的自主性和灵活性，并可以长时间进行水下观测和数据采集。
本文将从水下滑翔机的原理、设计和控制等方面分析其特点和应用前景。
一、水下滑翔机的原理水下滑翔机采用的是“片翼滑翔”原理。
它的原理来源于鲨鱼等一些动物在水中行进时，通过操纵水的流动，实现高效的运动方式。
该原理主要是通过改变机身的上下倾斜角度和前后滑行姿态，使机身在水中下滑、上升和滑翔的运动方式，实现机身的推进和运动。
二、水下滑翔机的设计水下滑翔机主要由机身、动力系统、控制系统和传感器等组成。
其中，机身是水下滑翔机的核心部件，主要负责实现水下滑翔的运动方式。
在机身的前端安装传感器和控制系统，用于实现自主控制和数据采集。
1. 机身设计水下滑翔机的机身通常采用双圆筒形结构，相邻两圆筒间隔装有可伸缩的翼片。
其机身外形与鲨鱼类似，能够通过上下调整、前后滑行等方式实现运动控制。
机身中央部分为电池和控制系统，同时配有浮力块以保持运动的平衡。
2. 动力系统设计水下滑翔机的动力系统主要由电池和电动机组成，具有环保、高耐用、低噪音等特点。
其电池通常采用锂电池，能够支持长时间的运行；电动机则是通过传动链条带动翼片，实现机体在水中的上下移动。
3. 控制系统设计负责水下滑翔机自主控制和姿态的检测。
通常采用导航、GPS、陀螺仪等探测器组成。
能够在水下自主寻址、避障、测量、互动等操作。
其中的导航系统主要是用来判断机身运动的方向和速度；GPS系统用来判断机体的位置和测量深度；陀螺仪则用于测量姿态角和加速度。
4. 传感器设计水下滑翔机的传感器主要包括水温、水压、水流速等探测。
其中的水温、水压能够反映海洋环境的变化；水流速则反映水体中水流的情况。
通过传感器所采集到的数据，可以对海洋环境进行深入了解，并为相关科学研究提供重要支持。
水下滑翔机系统设计与优化
水下滑翔机系统设计与优化
水下滑翔机是一种新型的无人水下自主航行器,与传统水下航行器相比,水下滑翔机没有螺旋桨作为动力,它通过改变自身的净浮力和俯仰角实现锯齿式前进。
因此,水下滑翔机具有成本低、能耗低、续航能力强、隐身能力强等特点,可根据使用场景搭载不同的模块,在海洋环境勘测、军事侦察等领域具备广泛的应用前景。
本文以自行研制的水下滑翔机为研究对象,进行系统的运动建模、结构设计和控制系统软硬件平台搭建,建立了系统能耗模型并确立最优滑翔参数。
本文的主要研究成果及创新点如下:1.建立滑翔机在垂直平面内的动力学模型和运动学模型,揭示了水动力参数、净浮力、滑块质量、滑块平移距离等因素对水下滑翔机运动的影响,为后续研究奠定了理论基础。
2.针对现有的几种外形方案,利用Ansys14.0进行水动力仿真,比较几种模型的优缺点,确定外壳方案。
搭建姿态调节机构和浮力调节机构,提出了一种油腔体积测量的新方法,并验证了方案的有效性。
3.设计搭建了岸上控制实验平台和嵌入式控制系统,采用CRC校验和返回重发纠错机制保证数据通信的可靠性,采用在线监测控制和离线诊断的方式进行数据分析。
4.建立滑翔机的总体能耗模型,以俯仰角、下潜深度和净浮力作为可变参数求得滑翔机最优能耗参数,并分析嵌入式芯片的低功耗模式,为水下滑翔机的节能设计奠定理论基础。
海洋水下滑翔机浮力调节系统的设计与实验
海洋水下滑翔机浮力调节系统的设计与实验刘雁集;马捷【摘要】目的提高海洋滑翔机浮力调节系统的可靠性,进一步降低系统功耗,设计气压与液压结合的低功耗浮力调节系统.方法基于理论分析确定系统的体积控制量,设计气压调节模块以保证高压油泵的正常工作与回油的顺利进行.利用有限元方法分析承压管路的可靠性,通过实验测试,验证浮力系统的响应性能.结果浮力系统的排油效率随着外压的增大而减小,2 MPa的压力会使出油率降低3％左右,同时功耗增加50％左右.在大气压力环境下,依靠系统内负压,400 s即可完成回油600 mL,完成上浮到下潜的转换.结论设计的浮力调节系统的气压调节装置能以较低的功耗保障主泵的正常工作,同时保障回油过程的通畅,满足海洋滑翔机对浮力调节的要求,可以应用于一般海洋深度的水下滑翔机.【期刊名称】《装备环境工程》【年(卷),期】2018(015)012【总页数】5页(P45-49)【关键词】水下滑翔机;浮力调节系统;气压增压;压力实验【作者】刘雁集;马捷【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】U674.83水下滑翔机作为一种航程远、续航能力强的水下航行器，已经被广泛应用于海洋探测。
经过多年的发展与完善，水下滑翔机已经发展出多种成熟的机型，如Slocum[1]、Seaglider[2]、Spray[3]、SeaExplorer[4]、海翼[5]、海燕号等[6]。
随着海洋探索的深入，对水下滑翔机的要求越来越高，要求更强的续航力与更深的下潜深度。
为提高续航力，Slocum Thermal滑翔机利用能量转换装置将温差能转换为机械能与电能驱动滑翔机运动[7]。
Seaglider通过加入合理的死区非线性环节间歇性地开启控制器降低系统能耗。
浮力调节系统是滑翔机的主要动力部件，其能耗约占系统总能耗的70%，合理降低浮力调节系统的能耗可以提高续航能力。
翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析
翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析翼身融合水下滑翔机是一种新型的水下机器人，它结合了飞机的翼和鱼类的身体，可以在水下自由滑动和滑翔。
因其独特的外观和卓越的水动力特性，翼身融合水下滑翔机成为了水下研究领域的重要研究对象。
一、外形设计翼身融合水下滑翔机的外形设计是其性能优良的重要前提。
它的外形需要充分考虑流体的流动特性和水下机器人的运行需求。
具体的设计要点有：1. 翼型设计翼型是翼身融合水下滑翔机的核心设计之一，它的形状和厚度对水动力性能影响较大。
一般来说，翼型需要具备较好的升力特性，并且在水下滑翔时能够产生足够的升力和稳定性。
目前，研究表明NACA0015翼型是翼身融合水下滑翔机比较优秀的选择，但也可以根据实际需求进行设计。
2. 圆滑的外形翼身融合水下滑翔机的外形应该尽可能的圆滑，以减少水流湍流和阻力。
光滑的外表面还能增强翼身融合水下滑翔机的推进效率，提高其运动稳定性。
3. 融合设计翼身融合是翼身融合水下滑翔机的重要特征之一，最早是借鉴了鱼类的身体结构。
在翼身融合设计中，翼面和身体形成一个平滑的过渡，从而减小水动力拖力，提高运行效率。
这种设计优于传统的摩擦阻力较大的平面翼和圆柱状的机身。
二、水动力特性翼身融合水下滑翔机的水动力特性是其性能的一个关键因素，直接影响其运动的稳定性和效率。
在设计翼身融合水下滑翔机时，需要考虑以下几个方面：1. 升力和阻力升力和阻力是翼身融合水下滑翔机的关键水动力特性，它们直接影响翼身融合水下滑翔机的滑行和滑翔能力。
通过改变机身的翼型、融合和截面等参数，可以达到改变升力和阻力的目的。
2. 稳定性和灵敏度稳定性和灵敏度是翼身融合水下滑翔机的另外两个关键水动力特性。
稳定性是指翼身融合水下滑翔机的倾向于保持一定的方向和姿态，而灵敏度是指翼身融合水下滑翔机对于外界的变化的反应速度。
这些特性也可以通过调整翼身结构和相关参数来实现。
3. 操纵性操纵性是指翼身融合水下滑翔机的人类操纵时的反应以及机器人自动控制时的定向变化速度。
海洋水下滑翔机的设计与控制
海洋水下滑翔机的设计与控制随着人们对海洋深处的探索逐渐深入，传统的潜水器已经无法满足人们的需要。
海洋水下滑翔机（AUV）应运而生，它是一种可以在水下进行自主航行的无人机器人。
它的设计和控制十分重要，本文将对其进行详细探讨。
一、海洋水下滑翔机的设计1. 常用设计海洋水下滑翔机是由多个部件组成的，包括浮力球、滑翔机身、机头、机尾、尾翼和螺旋桨等。
其中浮力球起到平衡的作用，滑翔机身则保证机器人的稳定性和描绘测量区域的能力；机头和机尾分别用于航向控制和稳定控制；尾翼和螺旋桨用于实现机器人的姿态控制和推进。
根据滑翔机的工作原理，海洋水下滑翔机设计主要有两种类型。
一种是推进式，另一种是滑翔式。
（1）推进式推进式滑翔机是通过螺旋桨推进的，可以在水下进行自主航行。
它的优点是马力大，可以更快地行进。
但不足之处是运动的惯性比较大，需要更多的功率才能控制。
（2）滑翔式滑翔式滑翔机可以利用水流进行滑行，自身的浮力和水流的作用力可以保持平衡状态。
它的优点在于节约能量和简单的设计。
但是，这种滑翔机不能像推进式滑翔机那样轻易地控制。
2. 关键元件关键元件包括电机、电子控制系统、氧气发生器、水流计和声纳。
这些部件是控制滑翔机实施海域观测时所需的。
其中氧气发生器是非常重要的，因为海水的氧气含量很低，如果没有这个设备，机器人可能会因为氧气不足而无法工作。
水流计和声纳则用于避免水流的影响，以保证机体的稳定性。
二、海洋水下滑翔机的控制1. 定位和导航系统定位和导航系统是控制滑翔机的关键。
由于滑翔机是实现自主水下航行的无人机器人，因此定位和导航系统必须具备高精度的特性。
目前，在海洋水下滑翔机设计中，主要采用四种方式实现定位和导航系统：GPS、北斗卫星导航、声纳和惯性导航系统。
海洋水下滑翔机需要实现自主航行和定点测量，因此在这几个方面具有同等重要的作用。
同时，正常的GPS天线作用于海水中的电磁波过于微弱，可能会失去定位功能，因此需要结合使用其他导航系统以保证精度。
水下滑翔机工作原理
水下滑翔机工作原理水下滑翔机是一种利用自然浮力和机械推进相结合的水下机器人，主要用于海洋科学研究、海洋环境监测等领域。
它可以在深海中快速、高效地进行数据采集和传输，具有极高的实用价值和应用潜力。
本文将介绍水下滑翔机的工作原理，包括推进、控制、数据采集等方面。
一、水下滑翔机的基本结构水下滑翔机主要由机身、推进系统、控制系统和传感器系统等组成。
机身通常由轻质材料制成，具有良好的自然浮力。
推进系统包括水流推进器和转向舵，用来控制滑翔机的前进方向和速度。
控制系统主要包括电脑控制系统和通讯系统，用来控制滑翔机的运动轨迹和实现数据采集、传输等功能。
传感器系统则包括多种传感器，如水温传感器、盐度传感器、压力传感器等，在海洋环境中采集数据。
二、水下滑翔机的推进系统水下滑翔机的推进系统采用水流推进器，利用水的流动动力为滑翔机提供推动力，实现前进功能。
水流推进器主要由一个反转桨和一个螺旋桨构成，其中反转桨用来控制滑翔机的上下运动，而螺旋桨则用来提供前进推力。
水下滑翔机的推进方式与普通的潜艇或遥控水下机器人等有所不同。
普通的水下机器人通过螺旋桨等机械设备提供推进力，需要消耗大量的电能或燃料，同时也容易发出噪声，影响其在海洋环境中的应用。
而水下滑翔机采用水流推进器，不需要燃料或电能，直接利用海水流动动能，减少了能源消耗和噪声污染，提高了其工作效率和环境适应性。
水下滑翔机的控制系统主要由电脑控制系统和通讯系统两大部分组成。
电脑控制系统通过实时计算水流推进器的推力和转向舵的角度，控制滑翔机的运动方向和速度。
通讯系统则负责滑翔机与地面或其他水下设备之间的数据传输和接收。
这一过程通常采用声波通讯技术，将数据通过声波信号发送到地面接收设备进行解码和处理。
在水下滑翔机的运行过程中，控制系统可以实时接收传感器系统采集的各种数据，并根据需要进行分析或处理。
随着海洋科学研究和海洋环境监测需求的不断增加，现代水下滑翔机的传感器系统也越来越多元化和智能化。
基于流体力学的水下滑翔机设计研究
基于流体力学的水下滑翔机设计研究随着科技的不断发展和人们对深海环境的探索需求日益增长，水下滑翔机的应用越来越受到关注。
水下滑翔机是一种能够在水下长时间滑翔的自主推进设备，具有较低的能耗和较高的控制精度，被广泛应用于海洋环境监测、海底矿产勘探、深海生态调查等领域。
本文将利用流体力学的知识，介绍水下滑翔机的基本原理和设计研究进展，并探讨其未来的发展方向与应用前景。
一、水下滑翔机的基本原理和结构水下滑翔机是一种能够通过改变自身重心位置而进行垂直上升和下降的设备，其工作原理类似于滑翔机。
水下滑翔机的结构主要由机身、翅膀和尾翼等组成，其中机身内部放置有各种传感器和控制器。
水下滑翔机采用的是激光测距控制技术，可在海底深度达到数千米的极端环境下完成自主控制任务。
二、水下滑翔机的流场分析水下滑翔机在水中滑行时，会遇到水的阻力和滑翔过程中产生的涡流等流体问题，因此流场分析是设计与优化水下滑翔机的重要工作之一。
首先，水下滑翔机在水中运动时受到的阻力包括湍流阻力和摩擦阻力等多种类型。
要降低阻力，需要减小机身和翅膀的阻力面积，并且采用流线型外形设计。
其次，在水下滑翔机运动过程中会产生诸如涡流、流磨砺、剪切力等复杂的物理现象。
这些流场问题会影响到滑翔机的稳定性和控制精度，需要在设计阶段通过流场模拟和实验来研究并解决。
三、水下滑翔机的应用前景和发展趋势水下滑翔机近年来在海洋环境监测、深海资源勘探、深海生态调查等领域得到广泛应用。
其在海洋环境监测中可以通过测量水温、盐度、水位等参数来监测海洋环境的变化；在深海资源勘探中，可以通过激光测距和探测仪器来获得地质结构信息，并进一步开展深海矿产资源开发；在深海生态调查中，可以对深海生物进行采样，研究海洋生态与保护。
未来，水下滑翔机的应用前景依然广阔。
在工业应用方面，水下滑翔机可以用于管道、基础设施的巡检和监控，也可以用于海底沉积物、矿产的采集和勘探。
在科学研究领域，水下滑翔机可以用于海洋生态与生物多样性研究、深海环境观测和地球探测等领域。
水下滑翔机动力学建模及PID控制
水下滑翔机动力学建模及PID控制随着人们对海洋资源的日益渴求，水下探测技术的发展成为了一种重要的技术手段。
水下滑翔机作为一种水下探测设备，具有探测范围大、时间长、能耗低等优势，但其控制难度大、自稳性差等问题也需要得到解决。
本文将结合水下滑翔机的运动学建模，对其动力学建模及PID控制进行探讨。
一、水下滑翔机运动学建模水下滑翔机本质上是一种受力平衡的物体，它的运动学模型可以通过欧拉-拉格朗日方程建模描述。
其中，当水下滑翔机沿着水平方向前进时，其位置坐标可表示为：X = [x, y, z]T其中，x、y、z分别表示水下滑翔机在X、Y、Z轴方向上的位置坐标。
水下滑翔机在水平方向的运动速率可表示为：V = [u, v, w]T其中，u、v、w分别表示水下滑翔机在X、Y、Z轴方向上的速度。
滑翔机在水面之下的深度可以表示为：Z = z由于滑翔机受到的杆翼力的作用，故受力方程为：F = - D - L - W其中，F表示所受到的总力，D表示阻力，L表示升力，W表示重力。
根据欧拉-拉格朗日方程，我们可以得出如下的滑翔机运动学模型：[物体质量矩阵][加速度矩阵] = [受力矩阵] - [惯性力矩阵]其中，物体质量矩阵为：M = [m 0 0 0 0 00 m 0 0 0 00 0 m 0 0 00 0 0 Ix 0 00 0 0 0 Iy 00 0 0 0 0 Iz]加速度矩阵为：a = [du/dt dv/dt dw/dt domega_x/dt domega_y/dt domega_z/dt]T 受力矩阵为：F = [U V W L M N]T其中，U、V、W分别为水下滑翔机在uvw坐标系下的速度，L、M、N分别表示滑翔机的滚转、俯仰和偏航力矩。
惯性力矩阵为：G = [0 0 0 0 -mw mv0 0 0 mw 0 mu0 0 0 -mu -mv 0]二、PID控制PID控制是一种基于比例、积分、微分优化的传统控制方法。
揭秘水下滑翔机
Ｓ ｐｒ ａ ｙ Ｇｌ ｉ ｄ ｅ ｒ 、Ｓ ｅ ａ Ｇｌ ｉ ｄ ｅ ｒ
、
问和 时 的湖 Ｊ 量 精 度 ，是 对现 有
水 Ｉ 观 测 手段 的 有 效 补 充 （ 图２ ） ，
牦 、 高静 音 、 ｋ Ｅ 作时 问 、
Ｉ 怍
外伍２ ０ ｌ ｉ ｔ ： 纪９ ０年 代 ｝ 』 Ｊ 发 水 下 滑 期 机 ， 美 罔 、 口本 、 法
实现 姿态 的 叵 ｌ 转和ｔ ｌ ￣ ｆ ． 仲 运动 。 水 滑翔ｆ Ｊ Ｌ 的 运 动 特 性 使 具 低 功
等 家 均 有 自 己 的 ｆ Ｆ １ 。关
仅研 发早，而 ｝ １ ． 技 术 先 进 ， 成
发的 “ 海翼”号水下滑翔机 图 ５ 水下滑翔机的船上操纵台
及 其 观 察 视 频
为电能 驱动 型和温 差能 驱动 型两 类 ， 这 两类 水 下滑 翔 机 在 外形 设计 、姿
态控 制 、 导航 通 讯 等 方面 相 同 ，仅 在 滑 机 的 驱 动 能 源 上 存 在 差 圳。 前 学运 用 的是 一 个 注射 器 形 的囊 泵 结构 ，工 作征水 下 ２ ０ ０米 深 的海域 ． 者 工 作 在 水 １ ５ ０ ０米 深 度 的 海
范Ｈ 爿 、远 航 程 等优 点 。 虽然 它 的航
仃速 度较 慢 ，ｆ ｌ ｌ 其 制造 、使 Ｊ ｆ ｊ 成 本
能 存海 洋 科学 探 索 、海 洋 地 用。
Ｓ ｌ ｏ ｃ ｕｌ ｕ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ］ ‘ ｉ ｃ Ｇｌ ｉ ｄ ｅ ｒ羊 ｕ Ｓ ｌ ｏ ｃ ｕ ｍ
Ｆ ｈ ｅ ｎ ｎ ａ ｌ Ｇｌ ｉ ｄ ｅ ｒ的 水 Ｆ滑 翔 机。 其
水下滑翔机的控制系统设计及运动仿真
第 ２期
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ０Ｃ Ｅ ＡＮ Ｅ ＮＧＩ ＮＥ Ｅ ＲＩ ＮＧ
Ｖ０ １ ． ４ ２ Ｎｏ ． ２
Ａｐ ｒ ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 ０ ４月
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ４ ２
第一作者简介 ： 李
哗（ １ ９ ７ ８一） ， 男， 博士 ， 教授
研究方 向： 水 下机器人 的运 动控制 、 路 径规划 以及数 据融合技术
Ｅ－ ｍａ ｌ ｌ ： ｌ ｉ ｙ ｅ ＠ｈ ｒ ｂ ｅ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
浮力 作 用下开 始 上 浮运 动 ， 并 最 终 达 到上 浮 到定 常 滑翔 运动状 态 ；
大载体 排水 体积 达 到 中性状 态 ， 水 下 滑 翔 机 开 始 减速下 潜 ， 并最 终停 止运 动 ；
４ ） 通 过俯仰 调 节机 构 向艉部 移 动 电池 组 ， 使
得水 下 滑翔机 姿态 变为 艏朝上 艉朝 下 ；
５ ） 通过浮力调节机构增大载体排水体积 ， 使
得水 下 滑翔机 处 在 正 浮力 状 态 ． 水 下 滑翔 机 在 正
力， 同时相应改变载体重心在纵向上的位置 ， 形成
一
１ ） 通过俯仰调节机构 向艏部移动 电池组 ， 使
得 水下 滑翔机 保持 艏朝 下艉 朝上 姿态 ； ２ ） 通过 浮力调 节 机构 减 少 载 体排 水 体 积 ， 使
得 水下 滑翔 机器 人处在 负 浮力状 态 。水 下 滑翔机
定 的攻角 ， 再 利用 水 平 翼 产 生 的 升力 的纵 向分
水下滑翔机定位导航系统及实验研究
一、水下机器人导航定位技术的 研究现状
1、惯性导航与自主定位
惯性导航是一种常用的水下机器人导航方式，其主要利用陀螺仪和加速度计等 惯性传感器来测量机器人的加速度和角速度，从而计算出机器人的位置和姿态。 然而，由于惯性导航的误差会随着时间的推移而累积，因此需要与其他导航方 式结合使用以实现更精确的定位。
系统组成
水下滑翔机定位导航系统主要由以下几个部分组成： 1、全球定位系统（GPS）：用于获取水下滑翔机的绝对位置信息。
2、惯性测量单元（IMU）：用于获取水下滑翔机的姿态、速度和加速度信息。
3、水下地形地貌扫描系统（OBS）：用于获取水下环境的地形地貌信息，帮助 水下滑翔机进行路径规划和避障。
视觉导航则是利用图像处理和计算机视觉技术来实现水下机器人的导航和定位。 其优点在于可以直接获取环境信息，提供更为精确的定位数据。然而，由于水 下环境的复杂性和不确定性，视觉导航技术仍面临着许多挑战。
二、水下机器人导航定位技术的 发展趋势
1、多传感器融合与智能决策
由于单一导航方式的局限性，多传感器融合成为了水下机器人导航定位技术的重要研究方向。通过将不同类型的传感器（如惯性传感器、水声传感器、视觉 传感器等）进行融合，可以充分利用各种传感器的优点，提高水下机器人的导 航精度和鲁棒性。同时，通过引入人工智能和机器学习等技术，实现智能决策， 可以进一步提高水下机器人的导航性能。
未来，水下定位导航系统的发展方向主要有以下几点：一是加强数据传输速度 和精度，以提高实时导航性能；二是研发更加智能化的水下机器人，提高自主 导航能力；三是结合和机器学习等技术，实现更加精准的定位和导航决策。此 外，随着5G等通信技术的不断发展，水下定位导航系统将有望实现更远距离的 信号传输和更高精度的定位。
智能水下滑翔机：海洋探索的新工具
智能水下滑翔机：海洋探索的新工具在深邃蔚蓝的海洋世界中，智能水下滑翔机如一位勇敢的探险家，不断挑战着人类对海洋的认知边界。
这种新型工具的出现，为海洋科学的研究带来了前所未有的机遇和挑战。
首先，让我们来认识一下这位“深海勇士”。
智能水下滑翔机是一种无人水下航行器，它能够在海洋中自主航行、采集数据并返回地面站。
它的设计灵感来源于自然界中的鱼类和鸟类，通过模仿这些生物的运动方式，实现了高效、灵活的水下运动能力。
在海洋探索领域，智能水下滑翔机的作用不可小觑。
它能够深入到人类难以到达的深海区域，进行长期的观测和数据采集。
例如，它可以监测海底地震活动、探测海底矿产资源、研究海洋生态系统等。
这些数据的获取对于科学家来说具有极高的价值，有助于我们更深入地了解海洋的奥秘。
然而，智能水下滑翔机并非万能的。
在实际应用中，它还面临着许多挑战。
首先，深海环境的复杂多变给智能水下滑翔机的运行带来了极大的困难。
高压、低温、腐蚀性海水等因素都可能对其造成损害。
其次，智能水下滑翔机的能源供应也是一个难题。
由于其需要在水下长时间工作，因此必须采用高效的能源系统来保证其正常运行。
此外，如何将采集到的数据准确无误地传输回地面站也是一个需要解决的问题。
尽管如此，我们不能否认智能水下滑翔机在海洋探索中的重要作用。
它为我们打开了一扇通往深海世界的大门，让我们有机会窥探那些曾经被认为无法触及的领域。
随着科技的进步，相信未来智能水下滑翔机将会变得更加完善和强大，为人类的海洋探索事业做出更大的贡献。
总之，智能水下滑翔机是海洋探索领域的一颗璀璨明珠。
虽然它还面临着诸多挑战，但我们有理由相信，在科学家和工程师们的共同努力下，它一定能够克服困难，继续为人类的海洋探索事业贡献力量。
让我们一起期待这位“深海勇士”在未来的精彩表现吧！。
面向深海观测的智能水下滑翔机设计与应用
面向深海观测的智能水下滑翔机设计与应用章节一：引言随着深海观测技术的不断发展，深海探测设备得到了越来越广泛的应用。
其中，水下滑翔机作为一种低成本、大范围水下探测设备，具有重要的观测价值。
本文将介绍面向深海观测的智能水下滑翔机设计与应用。
章节二：水下滑翔机的组成结构与工作原理水下滑翔机是一种可以在水下自主运动的海洋观测设备，它主要由以下几部分组成：控制系统、传感器组、能源系统、通讯系统、驱动系统等。
水下滑翔机的工作原理是通过利用浮力变化来控制滑翔机的上下运动，达到在水下运动的目的。
章节三：水下滑翔机的设计要素为了满足深海观测的需求，水下滑翔机的设计要素应当考虑以下几个方面：1. 浮力调节系统。
浮力调节系统是控制水下滑翔机运动的核心部分，通过利用浮力变化控制滑翔机上下运动。
2. 传感器组。
传感器组用于感知周围环境变化，包括水温、压力、水流速度、盐度等信息，可以根据这些信息调整滑翔机的姿态，保证滑翔机在水下平稳运动。
3. 能源系统。
能源系统为滑翔机提供动力，包括电池、太阳能电池等，要求稳定性高、安全性好，能够满足潜航时间要求。
4. 通讯系统。
通讯系统用于与地面控制中心进行数据传输，包括声学通讯、卫星通讯等方式，要求传输速度快、信号准确性高。
章节四：应用案例水下滑翔机在深海观测领域具有广泛的应用场景。
例如：1. 海洋生态环境监测。
可以通过水下滑翔机对海洋水质、海洋生态变化等进行在线监测分析。
2. 海底地质勘探。
可以通过水下滑翔机对海底地形、地质构造等进行探测分析，为海洋工程建设提供基础数据。
3. 海洋气象监测。
可以通过水下滑翔机对海洋气象变化进行监测及预警，提高海上安全性。
章节五：未来展望随着深海观测技术不断提升，水下滑翔机的应用前景日益广阔。
在未来，可以预见水下滑翔机将在人工智能、机器学习等领域得到进一步应用，实现更为便捷、高效的深海探测。
结论：通过以上分析，可以看出面向深海观测的智能水下滑翔机设计与应用在深海探测领域具有广泛的应用价值。
水下滑翔器运动仿真与控制器设计磁
水下滑翔器运动仿真与控制器设计磁
钟晓锋
【期刊名称】《舰船电子工程》
【年(卷),期】2016(036)008
【摘要】水下滑翔器是一种无外挂推进系统，仅依靠内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其自身运动的新型水下机器人，主要用于长时间、大范围的海洋环境监测。
文中分析了水下滑翔器的流体动力情况，建立了其数学模型。
针对水下滑翔器俯仰通道开环性能较差的缺点，设计了 PID 控制器。
仿真表明，该控制器性能稳定，可使水下滑翔器的航行性能极大提高。
文中同时对不同浮力情况下的水下滑翔器水平速度进行了仿真分析。
这些工作，为设计水下滑翔器奠定了基础。
【总页数】6页(P174-179)
【作者】钟晓锋
【作者单位】海装西安局西安 710075
【正文语种】中文
【中图分类】TG156
【相关文献】
1.水下滑翔机QFT鲁棒控制器设计 [J], 赵宝强
2.基于非线性稳定逆技术的水下滑翔机前馈控制器设计 [J], 孙启;马捷;杨海;刘雁集
3.水下滑翔机的控制系统设计及运动仿真 [J], 李晔;吴琪
4.水下滑翔机外形设计与运动仿真 [J], 宋保维;温在顶;曹永辉
5.基于数值运动仿真的水下滑翔机浮力调节设计及试验研究 [J], 张安通;张华;肖冬林;陈鲁愚;徐令令;王健
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水下滑翔器力学性能分析与总体外形设计
型，确定采用水滴型艏部和艉部外形，水平翼和垂尾均后置的布局； 3. 使用 CFD 分析软件 FLUENT 对所设计的水下滑翔器进行了水动力学仿
真模拟， 以攻角为变量，得到了某滑翔速度下运行的水下滑翔器升力系数和阻力 系数， 得到了符合飞行力学一般关系的升阻力关系，并且最终拟合出和飞行器相 类似的极曲线。
By Zongkai Guo
A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Master of Fluid Mechanics
Directed By Shiliu Peng & Jing Fan
Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences May, 2014
摘要
摘
要
水下滑翔器（Autonomous Underwater Glider，AUG）是一种新型的用于海洋 环境监测和海洋资源探测的重要平台，由于具有工作寿命长、成本低、噪声低、 航程大等优点， 水下滑翔器在海洋监测领域逐渐发挥着越来越重要的作用，受到 国内外海洋科学工作者的广泛关注。本文的设计、研究对象水声滑翔器也是水下 滑翔器的一种，在净浮力的作用下产生锯齿形的滑翔运动，在静默的状态下滑翔 下潜或上浮，使用装配在舱体内的矢量水听器完成监测任务。 本文设计了一款具有新构型的水下滑翔器，建立了用于分析滑翔运动的动力 学模型，并且使用 FLUENT 模拟了在一定速度下滑翔的水下滑翔器的性能，证 明了设计的合理性与适用性。 本文的主要研究内容如下： 1. 本文首先详细描述了水下滑翔器基本运行原理， 对航行器运行过程的受
水下滑翔机垂直面动力学分析与仿真
水下滑翔机垂直面动力学分析与仿真张华;张进峰;张少伟;倪先胜【摘要】水下滑翔机是一种依靠水动力和净浮力驱动的无外挂推进系统,具有能耗小、作业时间长的优点,主要应用于大范围、长时间、大尺度的海洋观测.本文针对在研的水下滑翔机原理样机,介绍基于CFX水动力计算软件的水动力计算方法,并采用最小二乘法辨识了滑翔机在垂直面作稳定滑翔运动时的水动力参数;分析水下滑翔机垂直面稳态运动时系统状态与控制量之间关系,并基于LQR控制方法设计水下滑翔机在垂直面作稳态滑翔运动时在不同俯仰角下的切换控制策略,仿真表明了这种控制方法的有效性.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2015(037)010【总页数】6页(P56-61)【关键词】水下滑翔机;水动力分析;LQR【作者】张华;张进峰;张少伟;倪先胜【作者单位】武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;东风德纳车桥有限公司,湖北襄阳441000;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064;武汉第二船舶设计研究所,湖北武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TP240 引言水下滑翔机是一种依靠机翼水动力和净浮力驱动、将浮标和水下机器人技术结合的新概念水下机器人。
水下滑翔机通过间歇性改变自身净浮力和重心在垂直纵剖面的位置从而改变滑翔运动中机翼受到的水动力，借助机翼的升力实现在垂直纵剖面的锯齿状运动，通过重心位置在机翼面的侧向偏移产生的横滚力矩实现机身的横滚，从而使机翼升力产生回转向心力分量实现滑翔机的转向。
由于净浮力的改变和重心位置改变是间歇性的，因此滑翔机能耗非常小，适用于长期、大范围海洋环境的长期监测。
1995年以来，在美国海军研究局 (ONR)的资助下，美国研制出了 Slocum、Seaglider和 Spray等［1－3］以电池和海洋温差为能源的水下滑翔机系统，其续航时间一般可达200－300 d，航程达2 000～7 000 km，航行速度约为0.25m/s。
水下滑翔机技术的研究与应用
水下滑翔机技术的研究与应用水下滑翔机是一种能够在水下自主滑行的机器人，它通过控制自身的浮力和重力来实现在深海中的探测和观测任务。
由于具有多种先进的技术，如智能化控制、高效能电池和海洋探测仪器，水下滑翔机被广泛应用于海洋资源勘探、环境监测、海洋气象、水下考古等领域，而且在未来的海洋科研和工业探明中也将发挥重要作用。
一、水下滑翔机的工作原理和组成结构水下滑翔机的工作原理基于阿基米德原理和伯努利原理，它通过控制机体的浮力和重力来实现在不同深度的运动。
同时，滑翔机采用高效能电池和深海探测仪器来实现自主探测和数据传输，并且与通信卫星和地面站进行联络，确保精确有效的探测结果。
水下滑翔机在结构上主要包括机身、飞翼、节流阀、着陆装置、电子设备等组成部分。
机身是由高极性材料和可变密度泡沫构成，具有轻便且稳定的特点。
飞翼是滑翔机的关键部件，它能够通过摆动机身实现机体的升降运动。
节流阀控制飞行姿态，促进平稳的运动和精确的观测。
着陆装置用于在水面上和水底上实现安全的起降操作。
二、水下滑翔机的技术特点和应用领域水下滑翔机作为海洋探测和监测领域的一项创新技术，具有以下几个技术特点：1、高智能化控制水下滑翔机采用高度智能化和自主化的控制技术，可以对海洋环境进行实时的观测和监测。
在海洋科学领域中，水下滑翔机能够精确地测量海底地形、水体温度和盐度、水流速度和方向等指标，为海洋环境的研究提供了丰富的数据。
2、长时间下潜水下滑翔机是通过高效能电池工作的，因此它可以在深海底层长时间下潜。
在高深度环境中，滑翔机能够保持对海洋环境的长时间观测和监测，同时具有可重复和可编写的任务功能。
3、精确的观测和探测能力水下滑翔机具有极高的精确度和稳定性，能够准确地探测和观察不同深度的海洋环境。
除此之外，滑翔机的快速调整能力和灵活的振翼机构使其成为一种高效的探测工具。
水下滑翔机在海洋探测和监测方面的应用非常广泛，如测量海水温度、盐度、流速、有机物含量或磁场等大量参数；扫描和记录湍流水流；记录冰面下的有关情况。
水下滑翔机器人控制系统设计与控制算法研究的开题报告
水下滑翔机器人控制系统设计与控制算法研究的开题报告一、研究背景水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人，具有灵活、高效的运动能力和数据采集能力。
水下滑翔机器人在海洋调查、海底资源勘探、环境监测等领域具有广阔的应用前景。
为了实现水下滑翔机器人的高效控制和优化运动，需要进行控制系统的设计、控制算法的研究及模型建立。
二、研究目的本论文的目的是对水下滑翔机器人的控制系统进行设计和优化，并结合机器人的机械特性、流体特性、控制特性等相关因素，通过数学模型分析、仿真试验等多种手段，研究滑翔机器人的控制算法。
三、研究内容本论文的研究内容主要包括以下方面：1. 水下滑翔机器人的结构与工作原理分析，包括机械和电子部分的设计。
2. 设计和实现水下滑翔机器人的控制系统，包括传感器的选择、数据采集和处理、控制策略等。
3. 基于数学模型建立控制系统，该模型可以描述水下滑翔机器人的运动特性、机械特性等。
该模型可以应用于仿真试验和控制算法的设计。
4. 通过控制算法的设计和优化，改进水下滑翔机器人的控制效果，使其实现更为灵活高效的运动特性，提高其性能。
四、研究方法本论文采用了以下研究方法：1. 分析水下滑翔机器人的结构和工作原理，并根据水下机器人的机械特性、流体动力学特性等因素，建立数学模型。
2. 设计和实现水下滑翔机器人的控制系统，包括传感器的选择、数据采集和处理、控制策略等。
3. 根据数学模型，分析和模拟水下滑翔机器人的运动特性，并根据模拟结果进行控制算法的设计和优化。
4. 进行实验验证，评估控制算法的效果，并进行比较分析，以此来验证该算法的正确性和优越性。
五、预期成果本论文预计的成果包括以下方面：1. 设计和实现水下滑翔机器人的控制系统，并进行模拟试验和实验验证。
2. 基于数学模型建立控制系统，并设计和实现针对性的控制算法，优化滑翔机器人的运动效果。
3. 分析和比较多种控制算法，并提出可以提高滑翔机器人运动效果的新型算法。
4. 对水下滑翔机器人的机械结构进行改进和优化，以提高其运动性能。