长航程水下滑翔机低功耗浮力驱动方法研究

摘要

水下滑翔机作为一种可以反复使用的海洋观测平台，其通过调节净浮力来实现平台的下潜和上浮，运动轨迹为锯齿形。浮力驱动装置是平台的核心部件之一，是水下滑翔机最主要的耗能部分，占总能耗的50%以上。本文以低能耗浮力驱动装置及浮力调节策略为目标，主要做了以下研究： 1.对壳体变形进行理论研究，定量分析了水下滑翔机在滑翔过程中壳体随外界压力和温度的变化情况，并利用ANSYS Workbench进行仿真，验证了其合理性。同时探究由于温盐深的变化导致的海水密度随深度的变化关系，得出滑翔过程中浮力的变化规律。在上述研究的基础上，设计了无源自动浮力补偿器，减小浮力驱动装置71.9%的调节量。同时设计了水下浮力调节装置和水面快速浮力调节装置。 2.分析水下滑翔机运动状态，建立稳态滑翔模型，得到了浮力驱动装置运动参数与滑翔角的关系，确定了滑翔机稳定滑翔时经济滑翔角为22°，制定了滑翔机下潜过程中的浮力调节策略。对水下滑翔机浮力驱动装置的可靠度进行了预测，同时以能耗为目标函数，利用遗传算法得到最低能耗对应的浮力调节深度和调节量。结合上述两种分析，确定了一种较优的上浮过程中的浮力调节策略。 3.进行了水下浮力调节装置精度试验，包括测试浮力调节装置的排油精度、吸油精度和吸排油往复性精度，同时结合湖泊试验中水下滑翔机的整机测试试验，验证了装置的基本性能。通过专用设备模拟不同深度海水压力的变化，结合课题组开发的深海滑翔机运动仿真软件对浮力驱动装置在水下滑翔机一个剖面的流程进行半实物仿真，使用能耗模块监控其能耗，验证本文制定的浮力调节策略的节能性。

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