某型无人水下航行器建模与仿真研究

赵贺伟，宋召青，于华国

(1.海军航空工程学院 山东 烟台 264001；2.92154部队，山东 烟台 264001)

0 引言

无人水下航行器[1](unmanned underwater vehicle UUV)作为未来水下信息战以及重要的反潜扫雷作战平台，越来越受到各国的广泛关注，并有很多国家开展了研究工作。因UUV的实型开发和试验费用昂贵，所以对模型和控制方法的充分研究具有重要的理论与实际意义。本文研究的某型UUV，壳体是流线型，由一个三叶螺旋桨提供动力，由两对水平和垂直舵控制姿态与航向，总长2.17 m，直径0.33 m，排水量0.13 m3，装有多普勒测速仪、方向罗盘、倾角仪和测深仪等与航行控制有关的传感器件。

1 UUV建模

无人水下航行器的建模是研究其控制的基础，建立合适的数学模型关系到整个载体控制系统的优越性，并能够检验控制策略的有效性。

1.1 变量与坐标系的定义[2]

重力——G;偏航角——α;浮力——T;俯仰角——β。

推力——P;滚转角——γ;流体动力——R;潜浮角——θ。

速度矢量——V;航迹角——φ;密度——η;冲角——δ。

侧滑角——ρ;速度滚转角——χ;

航迹坐标系相对固定坐标系角速度——Ω；

载体坐标系相对固定坐标系角速度——ε。

定义4个坐标系：

固定坐标系—dxDyDzD;

载体坐标系—oxOyOzO;

速度坐标系—sxSySzS;

航迹坐标系—hxHyHzH;

文中sinθ=sθ，其他同理。在固定坐标系[3]中，位置矢量w1=[x,y,z]T，姿态角w2=[α,β,γ]T，体坐标系中定义航行器的线速度V=[u,v,r]T，角速度ε=[p,q,l]T,重心位置BG=[xG,yG,zG]T,控制矢量k=[δe(t),δr(t),a(t)]T,δe(t)表示横舵角，δr(t)表示垂直舵角，a(t)表示螺旋桨转速。

1.2 UUV动力学方程的建立

根据动量定理及动量矩定理的相关原理，建立无人水下航行器的动力学方程，由两个矢量方程描述:

1.2.1UUV质心运动的动力学方程

1) 推力在航迹坐标系上的投影[4]。……