浮力驱动式水下滑翔机运动仿真

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! 基于 -./0.1 平台的仿真模型 !+& 系统建模
根据式 "$’! 本文基于 -./0.1 的 23456378 工 具 进 行 系 统 建模 ! 模型图如图 ! 所示 $ 图 ! 给出了由 23456378 创建的系统封装图 ! 图中所示中间 矩形框 -9:;6 25<=>=?;4 是封装好的子系统 ! 如同黑箱原理 ! 整 个系统封装为 % 个输入量 " 分别为对航行体内滑动质量块 : 和 8 方向的控制力 % 压舱载荷的质量变化 率 ’! 和 &" 个 输 出 量 " 分 别为航行体的各项实时位置角度和滑动质量块的特征数据 ’$
１．１
质量配置定义
由于动力依靠浮力驱动机制 ， 航行体内部质量的配置在航
行过程中起着非常重要的作用。 它不同于一般质量配置相对恒 定的水下航行体， 在航行过程中不但整体质量是变化的， 而且 重心位置也会因为内部滑动质量块的移动而发生变化。 基于以 上原因 ， 在运动学模型的推导中必然要设计航行体内部滑动质 量块运动、 压舱载荷质量变化和航行体本身运动的耦合， 这就 要求对航行体质量配置给出明确的定义 ， 如图 １ 所示。
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仿真算例与分析
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摘 要 ： 浮力驱动式水下滑翔机对我国海洋 勘 探 和 国 防 建 设 有 着 重 要 应 用 前 景 ， 根 据 水 下 滑 翔 机 三 维 运 动 模 型 ， 以 ＭＡＴＬＡＢ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 为平台完成了滑翔机建模和图形界面仿真工具的设计。并以此仿真软件进行算例计算。该仿真成本低廉 ， 可广泛应用于 一般的水下滑翔机设计方案验证。 关键词 ： 浮力驱动 ； 滑翔机 ； ＭＡＴＬＡＢ； 仿真 文章编号 ： １００２－ ８３３１ （ ２００７ ） １８－ ０１９９－ ０３ 文献标识码 ： Ａ 中图分类号 ： Ｕ６７５．５５
ｋｇ
表 １ 给出的仿真初始条件力求使航行体在施放时保持相 对静止的状态 ， 选择 － ３０° 的滑行角作为仿真计算的稳定控制参 数。此外 ， 为抵抗海流扰动的影响 ， 水平速度应大 于 ２．５ 节 ， 为 此水平速 度 的 控 制 量 均 选 取 为 １．３ ｍ／ｓ。 表 ３ 给 出 了 计 算 的 仿 真控制参量值。
１． 西北工业大学 航海工程学院 ， 西安 ７１００７２ ２． 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 ， 上海 ２０００３０ ａｎ ７１００７２ ， Ｃｈｉｎａ １．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ’ ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０ ， Ｃｈｉｎａ Ｅ－ ｍａｉｌ： ｋａｎｌｅｉ６６８８８＠１２６．ｃｏｍ ＫＡＮ Ｌｅｉ， ＺＨＡＮＧ Ｙｕ － ｗｅｎ ， ＦＡＮ Ｈｕｉ， ｅｔ ａｌ．Ｂｕｏｙａｎｃｙ ｄｒ ｉｖｅｎ ｕｎｄｅｒ ｗａｔｅｒ ｇｌｉｄｅｒ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａ ｔｉｏｎ ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ２００７ ， ４３ （ １８ ） ： １９９－ ２０１． Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｂｕｏｙａｎｃｙ ｄｒｉｖｅｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｇｌｉｄｅｒ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｏｃｅａｎ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎａｔｉｏｎａｌ ｄｅｆｅｎｓｅ．Ａｃ－ ｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ３－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｏｒｍｕｌａ， ａｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｇｌｉｄｅｒ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ａｎｄ ｉｔｓ ＧＵＩ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ．Ｔｈｅｎ ａ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｃａｓｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｔｈｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｓｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｇｅｎｅｒａｌ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｇｌｉｄｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｂｕｏｙａｎｃｙ ｄｒｉｖｅｎ ； ｇｌｉｄｅｒ； ＭＡＴＬＡＢ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ 计算机工程与应用
２００７ ， ４３ （ １８ ）
１９９
浮力驱动式水下滑翔机运动仿真
阚 雷 １， 张宇文 １， 范 辉 １， 杨武钢 １， 李 红２
ＫＡＮ Ｌｅｉ１， ＺＨＡＮＧ Ｙｕ－ ｗｅｎ１， ＦＡＮ Ｈｕｉ１， ＹＡＮＧ Ｗｕ－ ｇａｎｇ１， ＬＩ Ｈｏｎｇ２
雷 ， 张宇文 ， 范
辉 ， 等 ： 浮力驱动式水下滑翔机运动仿真
２００７ ， ４３ （ １８ ）
２０１
浮力驱动式航行体算例总体参数
符号 数值 单位
ｍ ｍｈ ｍ ｍｆ１ Ｊ２ ＫＤ０ ＫＬ ＫＭ
１１．２２ ８．２２ ２．０ ２ ０．１ １８ ３０６ － ３６．５
ｋｇ ｋｇ
㎏ ㎏
Ｎｍ２ Ｎ（ ｓ／ｍ） ２ Ｎ（ ｓ／ｍ） ２ Ｎ（ ｓ／ｍ） ２
三维运动模型
本 文 采 用 国 内 习 惯 的 坐 标 系 定 义 方 式 ［５］， 惯 性 坐 标 系 和 体
ｍｆｘ， 它的位置并不位于浮心 ；
（ ３ ） 位置位于浮心的可变质量点 ｍｋｂ（ 压舱载荷 ） ， 它的质量
坐标系中各变量的转化通过坐标转换矩阵 Ｂ 来实现。
基金项目 ： 船舶基金项目。
作者简介 ： 阚雷 （ １９７９－ ） ， 男 ， 博士生 ， 研究方向为武器系统与运用工程 ； 张宇文 （ １９４６－ ） ， 男 ， 教授 ， 博导 ， 研究方向为水中兵器。
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基于 -./0.1 中 @AB 组件的图形用户界面设计
为了适应仿真实验的重复性和大量预设参数的修改 ! 开发
图形用户界面的仿真实验工具是非常必要的 $ 根据以上完成的 基于 23456378 的系统模型 ! 可以方便地用 -.C/0.1 指令对其
阚
表１
项目 航行体排水质量 均匀分布的壳体质量 滑动质量块质量 附加质量 转动惯量 阻力系数 升力系数 旋转力矩系数
由于浮力驱动式航行体在国内研究较少 ! 而且其大部分总 体参数都要依靠实验的方法测定 $ 作为仿真计算的实验参照 ! 这里给出一组国外文献中出现的具有相同动力机制的航行体 总体参数 ! 并以此作为算例进行仿真研究 $ 需要说明的是 ! 以下 所作的仿真计算全部是在垂直平面之内的 ! 见表 & ! 表 ! $
图中外围轮廓代表整个 航 行 体 ， 其 总 的 固 定 质 量 ｍｇｄ 是 三 部分之和 ： （ １ ） 均匀分布于壳体的质量 ｍｊｙ； （ ２） 由 于 壳 体 质 量 配 置 的 不 均 匀 性 ， 假 定 壳 体 质 量 由 两 部 分构成， 一部分均匀分布于壳体， 其他部分归为一个质量点
１
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"& ’ "! ’ 进行线性化 ! 并求得稳定的工作点 $ 根据图 % 所示的控制流程 "% ’ 编制仿真程序 $ 利用 -./0.1 内建的 @AB 组件可以方便地编制带有图形 用户界面的仿真实验工具 ! 通过用户界面设置航行体参数 % 仿 真初始值和设定的控制参数 $ 设置完参数后点击一个按钮即可 开始仿真 ! 并将仿真结果以图形方式画出 $ 在后面的论述中将 给出特定参数条件下的仿真结果 $
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运动学模型
运动学模型需要考虑航行体 % 内部滑动质量块和可变压舱
载荷之间的运动耦合 ! 这里需要得出包含惯性坐标系中航行体 的 位 置 矢 量 $! 角 速 度 矢 量 !! 速 度 矢 量 % 和 体 坐 标 系 中 滑 动 质量块运动特征量的微分方程组 $ 考虑动量 ! 用 &" 和 ’" 分别表示惯性坐标系中航行体与周 围流体组成系统总的平移动量和对惯性坐标系原点的动量矩 ! 用 &45" 表示惯性坐标系中滑动质量块的平移动量 $ 根据牛顿定 律 ! 有如下表示 &
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变化用于调节航行体的浮力状态 ! 在实际的航行体设计中可以 通过设置抽排水机构实现 $ 此外 ! 用于调节航行体重心位置从而实现俯仰和横滚调节 的滑动质 量 块 质 量 为 345!!"# 为 从 浮 心 指 向 滑 动 质 量 块 的 位 置 矢量 $ 这样 ! 航行体总的质量为 36(378)39:)35;)345$ 设航行体排 水体积的质量为 3 ! 令 3"(36*3 ! 则 3" 的符号代表浮力状态的 正负 $
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