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基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真

马玉印 王岩峰 官晟 王娜 丁军航

马玉印, 王岩峰, 官晟, 等. 基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-7 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086
引用本文: 马玉印, 王岩峰, 官晟, 等. 基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 1-7 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086
MA Yuyin, WANG Yanfeng, GUAN Sheng, WANG Na, DING Junhang. Motion Control Simulation of Underwater Gliders in Kuroshio[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 1-7. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086
Citation: MA Yuyin, WANG Yanfeng, GUAN Sheng, WANG Na, DING Junhang. Motion Control Simulation of Underwater Gliders in Kuroshio[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 1-7. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086

基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2021YFC3101105); 崂山实验室科技创新项目(LSKJ202201904).
详细信息
    作者简介:

    马玉印(1998-), 男, 在读硕士, 研究方向为航行器智能控制

  • 中图分类号: TJ630; U694

Motion Control Simulation of Underwater Gliders in Kuroshio

  • 摘要: 近年来, 水下滑翔机已广泛应用于各种海洋观测领域, 但在对黑潮等强流进行观测时, 其运动轨迹往往会受到严重影响, 因此文中针对黑潮流域内水下滑翔机运动轨迹控制问题进行研究。首先, 以“海燕II”为研究对象, 根据动量和动量矩定理建立了其考虑黑潮的动力学模型; 然后将HYCOM黑潮区域数据作为干扰, 其特点是黑潮流速的大小与方向都会随着位置的变化而改变, 并利用Simulink对强流影响下的“海燕II”运动轨迹进行了仿真; 最后, 将径向基函数(RBF)神经网络与常规比例-积分-微分(PID)控制器相结合, 对“海燕II”的偏航与纵倾运动进行控制。仿真结果表明RBF-PID控制器可以在一定程度上提高“海燕II”在黑潮区域运动的跟踪精度, 增强抵抗黑潮干扰的能力, 可为在强流影响下的水下滑翔机轨迹控制提供参考。

     

  • 图  1  “海燕II”坐标系定义

    Figure  1.  Coordinate system definition of Petrel-II

    图  2  不同深度处黑潮流速

    Figure  2.  Velocity of the Kuroshio at different depths

    图  3  黑潮对水下滑翔机运动的影响

    Figure  3.  Influence of Kuroshio on the motion of Petrel-II

    图  4  RBF神经网络结构图

    Figure  4.  Structure of the RBF neural network

    图  5  偏航运动控制曲线图

    Figure  5.  Curves of yaw motion control

    图  6  纵倾运动控制曲线图

    Figure  6.  Curves of pitch motion control

    表  1  “海燕II”主要几何物理参数及数值

    Table  1.   Physical parameters and values of Petrel-II

    名称物理参数数值
    总质量/kgm69
    俯仰调节重块质量/kg$ {m_p} $18
    横滚调节重块质量/kg$ {m_r} $18
    海水密度/(kg/m3)$\rho $1 022
    重力/(m/s2)g9.8
    质心与浮心间位置分量/m$ {y_G} $−0.06
    横截面积/m2$ {A_D} $0.038
    长度/mL2.17
    驱动浮力作用点到浮心的距离/m$ {l_b} $0.93
    附加质量/kg$ {\lambda _{11}} $2
    $ {\lambda _{22}} $75.8
    $ {\lambda _{33}} $103
    附加惯矩/kg·m²$ {\lambda _{44}} $9.5
    $ {\lambda _{55}} $43
    $ {\lambda _{66}} $31
    纵向力系数${C_x}(0)$−0.41
    垂向力系数$ C_y^\alpha $0.3
    $ C_y^r $−1.6
    横向力系数$ C_z^\beta $−1.6
    $ C_z^q $4.25
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    表  2  偏航运动控制中PID与RBF-PID指标对比

    Table  2.   Comparison of PID and RBF-PID index in yaw motion control

    控制算法平均误差均方误差
    PID1.625 97.184 1
    RBF-PID0.825 71.891 7
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-07-13
  • 修回日期:  2023-08-26
  • 录用日期:  2023-09-04
  • 网络出版日期:  2023-12-11

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