13、基于可控表面的滑翔机器海豚航向与俯仰调节

基于可控表面的滑翔机器海豚航向与俯仰调节

在水下机器人的研究中，滑翔机器海豚的航向与俯仰调节是关键技术，它直接影响着机器人在水下的运动性能和任务执行能力。下面将详细介绍相关的模拟、实验以及分析结果。

1. 俯仰模拟

为验证所提出的滑翔机器海豚俯仰控制方法的有效性，在MATLAB/Simulink中进行了典型模拟。通过CFD模拟获取了升力系数、阻力系数和力矩系数等水动力系数。

模拟设定如下：
- 参考俯仰角在向下滑翔阶段设为 -25°，向上滑翔阶段设为 25°。
- 滑翔前，机器海豚处于静止状态，净浮力为零，姿态角为零。
- t = 1 s 时，浮力驱动系统启动，泵以 50 rps 的速度将油从外部气囊吸入内部气囊，直至外部气囊排空，同时可移动质量以 3 mm/s 的速度向前移动 3.9 cm，机器海豚开始向下滑翔。

模拟过程及结果：
- 前 90 s，俯仰控制器不工作，机器海豚以尾鳍零偏转角自由向下滑翔。
- t = 90 s 时，俯仰控制器开始工作，机器海豚调节尾鳍产生预期力矩，俯仰角迅速跟踪参考值 -25°，约 20 s 后，俯仰角稳定在 -25°，尾鳍偏转角为 -6.7°。
- t = 220 s 时，出现不稳定滑翔状态，机器海豚开始将油推入外部气囊以实现向上滑翔，此时俯仰控制器关闭，在向上力的作用下，俯仰角逐渐变小并最终变为正值。
- t = 350 s 时，俯仰控制器再次工作，向上滑翔阶段的俯仰角迅速跟踪期望的 25°，尾鳍获得约 20°的较大偏转角。
- 模拟还对比了无俯仰控制器时的俯仰角曲线，结果显示自由滑翔时机器海豚最终获得约 20°的静态俯仰角，这表明所提出的控制方法有效