尺度水下滑翔机的机翼设计与水动力分析

水下滑翔机平衡式浮力驱动技术及其效率分析摘要：本文首先阐述了水下滑翔机的运动机理，然后分析了当前主流滑翔机小型化的原因，创新性的提出平衡式浮力驱动技术来解决水下滑翔机大驱动力的问题，扩大了水下滑翔机的运用领域。

并对其浮力驱动效率进行分析，结果表明当滑翔机机翼升阻比一定时，选择合适的滑翔角，能使其驱动效率达到最高，为水下滑翔机的设计奠定了基础。

关键词：水下滑翔机；浮力驱动效率；升阻比10 引言水下滑翔机(Autonomous underwater glider简称AUG)是一种小型可重复使用的水下航行器，几十公斤的体积重量却能在深海大洋中航行几千公里。

水下滑翔机之所以能以娇小的身躯完成穿越大洋的壮举，是依靠浮力驱动的结果。

浮力驱动主要特点是浮力可调和重心可变，这种简单低能耗航行原理是由美国海洋学家Henry Stommel[1]于1989年发现的。

一些生物学家推测，海豚正是由于具有类似的能力而能够在水下游相当长的距离。

在保证自身重量不变的前提下，通过改变排水体积，产生剩余浮力变化，结合高效的流体动力布局，将深度空间上重力或浮力势能，反复转化为前进的动能，通过锯齿状滑行，完成高效率的受控航行。

水下滑翔机一经发明就深受科学家和军方青睐，已获得了相当广泛的应用。

近几年国内有多家单位对水下滑翔机的浮力驱动系统进行研究，浮力驱动系统的安装位置和大小对水下滑翔机的工作能力有较大影响。

例如天津大学的“海燕”号滑翔机将浮力驱动系统布置在头部，提高了滑翔机的机动性，适用于浅海的测量任务；沈阳自动化研究所的“海翼”号滑翔机将浮力驱动系统布置在艉部，有利于滑翔机滑翔过程中的控制精度和稳定性，适用于深海大深度的观测任务[2]；“海燕”[3]和“海翼”[4]的重量都在60kg左右，其浮力改变量为±0.5L。

本文在参考国内外几大典型水下滑翔机设计方案的基础上，分析水下滑翔机小型化的原因，从研究水下滑翔机浮力驱动系统入手，创新性的提出平衡式浮力驱动技术来解决水下滑翔机大驱动力的问题，扩大了水下滑翔机的运用领域，并通过对水下滑翔机浮力驱动效率的分析，得出浮力驱动效率主要受滑翔角和升阻比的影响，为水下滑翔机的后续设计提供了重要参考。

第31卷第1期2009年1月舰 船 科 学 技 术SH I P SC I E NCE AND TEC HNOLOGY Vo.l 31,No .1Jan.,2009水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析王 冲,刘巨斌,张志宏,顾建农(海军工程大学理学院,湖北武汉430033)摘 要: 通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。

分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。

关键词: 水下滑翔机;数值模拟;升力系数;阻力系数中图分类号: TP24文献标识码: A文章编号: 1672-7649(2009)01-0134-03DO I :10 3404/j issn 1672-7649 2009 01 029Nu m erical research on dyna m ic characteristic of underwater glider when itruns in longitudinal sectionWANG Chong ,LIU Ju b i n ,Z HANG Zh i hong ,GU Jian nong (School of Science ,N avalU niversity of Engineeri n g ,W uhan 430033,Chi n a)Abst ract : The dyna m ic characteristic of under w ater g lider is calcu lated when it r uns i n long itud i n alsecti o n at d ifferent ang le o f attack in la m inar flo w by structured grid and FVM.The distribution regu l a rity of velocity and pressure at different angle of attack is obta i n ed .The m ethod to control the under w ater glider effective ly when it r uns stra i g h t is g iven by ana lyzing the la w of t h e lift coeffic i e n,t drag coefficient and m o m ent coefficen.t The best ang le o f attack is g i v en by analyzing t h e pathw ay and the effic iency when the under w ater g lider runs at different largest ang le of attack .K ey w ords : under w ater g lider ;num erica l research ;lift coeffic i e n;t drag coeffic i e n t收稿日期:2008-03-24;修回日期:2008-04-22基金项目:海军工程大学科研基金资助项目(HGD JJ 06005)作者简介:王冲(1973-),男,硕士,讲师,主要从事军用目标流体动力学特性的教学与研究。

水下滑翔机的设计与控制随着科技的不断进步，水下滑翔机作为一种新型的无人遥测平台，逐渐引起人们的关注。

水下滑翔机是一种能够在水下按照预定的轨迹进行运动的自主水下航行器。

与传统人工控制的水下航行器相比，它具有更高的自主性和灵活性，并可以长时间进行水下观测和数据采集。

本文将从水下滑翔机的原理、设计和控制等方面分析其特点和应用前景。

一、水下滑翔机的原理水下滑翔机采用的是“片翼滑翔”原理。

它的原理来源于鲨鱼等一些动物在水中行进时，通过操纵水的流动，实现高效的运动方式。

该原理主要是通过改变机身的上下倾斜角度和前后滑行姿态，使机身在水中下滑、上升和滑翔的运动方式，实现机身的推进和运动。

二、水下滑翔机的设计水下滑翔机主要由机身、动力系统、控制系统和传感器等组成。

其中，机身是水下滑翔机的核心部件，主要负责实现水下滑翔的运动方式。

在机身的前端安装传感器和控制系统，用于实现自主控制和数据采集。

1. 机身设计水下滑翔机的机身通常采用双圆筒形结构，相邻两圆筒间隔装有可伸缩的翼片。

其机身外形与鲨鱼类似，能够通过上下调整、前后滑行等方式实现运动控制。

机身中央部分为电池和控制系统，同时配有浮力块以保持运动的平衡。

2. 动力系统设计水下滑翔机的动力系统主要由电池和电动机组成，具有环保、高耐用、低噪音等特点。

其电池通常采用锂电池，能够支持长时间的运行；电动机则是通过传动链条带动翼片，实现机体在水中的上下移动。

3. 控制系统设计负责水下滑翔机自主控制和姿态的检测。

通常采用导航、GPS、陀螺仪等探测器组成。

能够在水下自主寻址、避障、测量、互动等操作。

其中的导航系统主要是用来判断机身运动的方向和速度；GPS系统用来判断机体的位置和测量深度；陀螺仪则用于测量姿态角和加速度。

4. 传感器设计水下滑翔机的传感器主要包括水温、水压、水流速等探测。

其中的水温、水压能够反映海洋环境的变化；水流速则反映水体中水流的情况。

通过传感器所采集到的数据，可以对海洋环境进行深入了解，并为相关科学研究提供重要支持。

水下滑翔机系统设计与优化
水下滑翔机是一种新型的无人水下自主航行器,与传统水下航行器相比,水下滑翔机没有螺旋桨作为动力,它通过改变自身的净浮力和俯仰角实现锯齿式前进。

因此,水下滑翔机具有成本低、能耗低、续航能力强、隐身能力强等特点,可根据使用场景搭载不同的模块,在海洋环境勘测、军事侦察等领域具备广泛的应用前景。

本文以自行研制的水下滑翔机为研究对象,进行系统的运动建模、结构设计和控制系统软硬件平台搭建,建立了系统能耗模型并确立最优滑翔参数。

本文的主要研究成果及创新点如下:1.建立滑翔机在垂直平面内的动力学模型和运动学模型,揭示了水动力参数、净浮力、滑块质量、滑块平移距离等因素对水下滑翔机运动的影响,为后续研究奠定了理论基础。

2.针对现有的几种外形方案,利用Ansys14.0进行水动力仿真,比较几种模型的优缺点,确定外壳方案。

搭建姿态调节机构和浮力调节机构,提出了一种油腔体积测量的新方法,并验证了方案的有效性。

3.设计搭建了岸上控制实验平台和嵌入式控制系统,采用CRC校验和返回重发纠错机制保证数据通信的可靠性,采用在线监测控制和离线诊断的方式进行数据分析。

4.建立滑翔机的总体能耗模型,以俯仰角、下潜深度和净浮力作为可变参数求得滑翔机最优能耗参数,并分析嵌入式芯片的低功耗模式,为水下滑翔机的节能设计奠定理论基础。

专逊撷显仿生翼水下航行器直航运动时水动力性能分析口李卩日1口吴俊飞1口熊学军21.青岛科技大学机电工程学院山东青岛2660612.自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061摘要:在仿生翼水下航行器设计阶段，针对如何在主尺度和巡航速度确定的前提下得到直航阻力最小的尾翼形状这一问题，对仿生翼水下航行器直航运动时的水动力性能进行了分析。

仿生翼水下航行器主体采用回转体结构，中段为平行结构，躺艇部为Myring型。

采用三维结构化网格形式，基于五种湍流模型，对仿生翼水下航行器进行仿真，得到不同航速下仿生翼水下航行器直航阻力与表面流场的变化规律，并与平板翼进行对比。

通过分析验证了仿生翼水下航行器相比平板翼水下航行器，具有更优的水动力性能，为水下航行器设计阶段的阻力性能预测和尾翼优化提供了参考"关键词：水下航行器水动力分析中图分类号：TH6：U674.914文献标志码：A文章编号：1000-4998(2020)08-0035-06Abstract:In the design stage of tUe underwater vehicle with bionic tail,the hydrodynamic performanco during tUe straight led motion of tUe undeavater vehicle witU bionic tail was analyzed aiming at the issue of how oob acn DheshapeotDhe acewch DheeeasDdceecDdeagundeeDhepeecondccon otdetcned pecnccpae dcmenscon and ceucscngspeed.Themacn bodyotDheundeewaeevehcceewch bconcc aceadop saeevoevcng seucDuee,Dhemcddeeseccon csapaeaeeeseucDuee,and Dhebowand seen seccon csotaMyecng ype.The undeewaeevehcceewch bconcc aceadop sa3DseucDueed gecd toem and tcveDuebueencemodeestoescmueacon oob acn Dhevaecacon eawsotDhedceecDdeageescsanceand suetace teow tceed otDheundeewaeevehcceewch bconcc aceaDdcteeenDspeedsand caeyouDcompaecson wch Dheundeewaeevehcceewch teaDace.Theanaeyscs veectcesDhaDDheundeewaeevehcceewch bconcc acehasbeeehydeodynamccpeetoemanceDhan Dheundeewaee vehcceewch teaDace.IDpeovcdesaeeteeencetoeDhepeedcccon otDhedeagpeetoemanceand Dheop cmczacon ot Dhe acetoeDheundeewaeevehcceeduecngDhedescgn sage.Keywords:Underwater Vehicle Hydrodynamic Analyses1分析背景水下航行器是能够完成多种水下任务的重要工具，广泛应用于军事、科研、民生等领域’大航程和高航速是水下航行器完成预定任务必须具备的条件’目前，水下航行器未能达到期望航程、航速的原因主要在于直航阻力过大。

试验型水下滑翔机的动力学分析及实验曹俊亮;曹军军;赵宝强;姚宝恒;连琏【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2016(020)012【摘要】水下滑翔机是一种新型的无推进装置的水下运载器，它是由净浮力来驱动的，同时通过内部的直线驱动器来改变重心的位置以实现姿态的调节。

对于大多数水下滑翔机，浮力机构是通过改变自身排水体积来实现的，文中介绍了一种变重量的水下滑翔机的设计、动力学分析以及实验过程，该浮力调节机构主要由单向水泵和三位五通电磁阀组成，最大下潜深度为30米。

文中介绍了水下滑翔机的运动方程和动力学特性，并且给出了在稳定时刻的解，并且通过计算流体力学的方法对水下滑翔机的水动力特性进行了分析。

仿真和实验结果证明了该水下滑翔机的可靠性及实用性。

【总页数】12页(P1523-1534)【作者】曹俊亮;曹军军;赵宝强;姚宝恒;连琏【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240;海洋科学与技术青岛协同创新中心，青岛266000;上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240; 中国舰船研究设计中心，武汉 430064;上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海200240; 中国舰船研究设计中心，武汉 430064【正文语种】中文【中图分类】U674.941【相关文献】1.浮选动力学放大：实验室批次试验与试验厂生产对比 [J], Boura.,M;叶学龙2.锥型踏面和LM磨耗型踏面对大型养路机械动力学性能影响试验分析 [J], 陈政南;张天婴;张树鹏3.实验尺度无人水下滑翔机设计与试验 [J], 杨海;刘雁集;张凯4.装有液压互联悬架的某型SUV车辆动力学分析及路试验证 [J], 彭鹏;张邦基;章杰;郑敏毅;张农5.HX_D3B型机车动力学试验问题的分析及解决方案 [J], 高震天;李传龙;曲天威因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析翼身融合水下滑翔机是一种新型的水下机器人，它结合了飞机的翼和鱼类的身体，可以在水下自由滑动和滑翔。

因其独特的外观和卓越的水动力特性，翼身融合水下滑翔机成为了水下研究领域的重要研究对象。

一、外形设计翼身融合水下滑翔机的外形设计是其性能优良的重要前提。

它的外形需要充分考虑流体的流动特性和水下机器人的运行需求。

具体的设计要点有：1. 翼型设计翼型是翼身融合水下滑翔机的核心设计之一，它的形状和厚度对水动力性能影响较大。

一般来说，翼型需要具备较好的升力特性，并且在水下滑翔时能够产生足够的升力和稳定性。

目前，研究表明NACA0015翼型是翼身融合水下滑翔机比较优秀的选择，但也可以根据实际需求进行设计。

2. 圆滑的外形翼身融合水下滑翔机的外形应该尽可能的圆滑，以减少水流湍流和阻力。

光滑的外表面还能增强翼身融合水下滑翔机的推进效率，提高其运动稳定性。

3. 融合设计翼身融合是翼身融合水下滑翔机的重要特征之一，最早是借鉴了鱼类的身体结构。

在翼身融合设计中，翼面和身体形成一个平滑的过渡，从而减小水动力拖力，提高运行效率。

这种设计优于传统的摩擦阻力较大的平面翼和圆柱状的机身。

二、水动力特性翼身融合水下滑翔机的水动力特性是其性能的一个关键因素，直接影响其运动的稳定性和效率。

在设计翼身融合水下滑翔机时，需要考虑以下几个方面：1. 升力和阻力升力和阻力是翼身融合水下滑翔机的关键水动力特性，它们直接影响翼身融合水下滑翔机的滑行和滑翔能力。

通过改变机身的翼型、融合和截面等参数，可以达到改变升力和阻力的目的。

2. 稳定性和灵敏度稳定性和灵敏度是翼身融合水下滑翔机的另外两个关键水动力特性。

稳定性是指翼身融合水下滑翔机的倾向于保持一定的方向和姿态，而灵敏度是指翼身融合水下滑翔机对于外界的变化的反应速度。

这些特性也可以通过调整翼身结构和相关参数来实现。

3. 操纵性操纵性是指翼身融合水下滑翔机的人类操纵时的反应以及机器人自动控制时的定向变化速度。

海洋水下滑翔机的设计与控制随着人们对海洋深处的探索逐渐深入，传统的潜水器已经无法满足人们的需要。

海洋水下滑翔机（AUV）应运而生，它是一种可以在水下进行自主航行的无人机器人。

它的设计和控制十分重要，本文将对其进行详细探讨。

一、海洋水下滑翔机的设计1. 常用设计海洋水下滑翔机是由多个部件组成的，包括浮力球、滑翔机身、机头、机尾、尾翼和螺旋桨等。

其中浮力球起到平衡的作用，滑翔机身则保证机器人的稳定性和描绘测量区域的能力；机头和机尾分别用于航向控制和稳定控制；尾翼和螺旋桨用于实现机器人的姿态控制和推进。

根据滑翔机的工作原理，海洋水下滑翔机设计主要有两种类型。

一种是推进式，另一种是滑翔式。

（1）推进式推进式滑翔机是通过螺旋桨推进的，可以在水下进行自主航行。

它的优点是马力大，可以更快地行进。

但不足之处是运动的惯性比较大，需要更多的功率才能控制。

（2）滑翔式滑翔式滑翔机可以利用水流进行滑行，自身的浮力和水流的作用力可以保持平衡状态。

它的优点在于节约能量和简单的设计。

但是，这种滑翔机不能像推进式滑翔机那样轻易地控制。

2. 关键元件关键元件包括电机、电子控制系统、氧气发生器、水流计和声纳。

这些部件是控制滑翔机实施海域观测时所需的。

其中氧气发生器是非常重要的，因为海水的氧气含量很低，如果没有这个设备，机器人可能会因为氧气不足而无法工作。

水流计和声纳则用于避免水流的影响，以保证机体的稳定性。

二、海洋水下滑翔机的控制1. 定位和导航系统定位和导航系统是控制滑翔机的关键。

由于滑翔机是实现自主水下航行的无人机器人，因此定位和导航系统必须具备高精度的特性。

目前，在海洋水下滑翔机设计中，主要采用四种方式实现定位和导航系统：GPS、北斗卫星导航、声纳和惯性导航系统。

海洋水下滑翔机需要实现自主航行和定点测量，因此在这几个方面具有同等重要的作用。

同时，正常的GPS天线作用于海水中的电磁波过于微弱，可能会失去定位功能，因此需要结合使用其他导航系统以保证精度。

翼身融合飞翼式水下滑翔机的水动力性能研究
熊仲营;刘越尧;雷新桃;樊夏瑞
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2024(46)6
【摘要】本文依据翼身融合式飞行器的设计理念设计一种飞翼式水下滑翔机,及其主要设计参数。

通过计算发现该飞翼式水下滑翔机较传统水下滑翔机拥有更大的升阻比,可达到15以上。

流场分布结果显示飞翼式水下滑翔机在特定速度0.1 m/s、0.3 m/s和0.5 m/s下,机翼周围并未出现明显的流动分离,且机翼表面压力较大程度取决于攻角的大小。

对比了不同雷诺数下的机翼表面涡脱落情况,发现随着攻角增大涡的脱落急剧增多,且翼梢小翼尾部涡脱落最为严重,极大影响滑翔机的水动力特性。

【总页数】8页(P90-97)
【作者】熊仲营;刘越尧;雷新桃;樊夏瑞
【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U674.941
【相关文献】
1.翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析
2.飞翼式混合驱动水下滑翔机水动力与运动特性研究
3.翼身融合水下滑翔机剖面水翼定常吸流主动流动控制数值
研究4.翼身融合水下滑翔机总体设计及性能分析5.基于滑移网格的翼身融合水下滑翔机水动力性能研究
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双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究刘　健 1, 周广礼 2, 彭嘉澍 1, 朱　猛 1, 李国庆 1, 余祖耀 1*(1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院, 湖北 武汉, 430074; 2. 海军研究院, 北京, 100161)摘 要: 混合驱动水下滑翔机虽兼具典型水下滑翔机及传统航行器的优点, 但存在能耗高、不利回收等缺点,且在快速推进模式下, 滑翔翼的存在不仅会增加航行阻力, 降低航行稳定性, 也不利于滑翔机回收布放。

针对此, 提出一种双壳体混合驱动水下滑翔机, 其滑翔翼与传统固定水平翼不同之处在于滑翔机可根据实际需求进行收放, 以实现对能源的合理分配, 从而提高水下滑翔机的综合航行性能。

此外, 详细介绍了该滑翔机的工作模式、系统组成以及滑翔翼收放原理, 并设计了一种蜗轮蜗杆滑翔翼收放装置, 建立相应的收放机构技术方案, 在此基础上通过数值仿真方法进行了滑翔翼水动力性能分析, 得到了合理的机载配置方案。

关键词: 水下滑翔机; 双壳体; 混合驱动; 滑翔装置; 水动力性能中图分类号: TJ630; U674.941 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0025-07DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0150Research on Structural Principle and Hydrodynamic Performance of Double-Hull Hybrid Powered Underwater GliderLIU Jian1,　ZHOU Guangli2,　PENG Jiashu1,　ZHU Meng1,　LI Guoqing1,　YU Zuyao1*(1. School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Naval Research Academy, Beijing 100161, China)Abstract: Although the hybrid powered underwater glider has the advantages of both typical underwater gliders and traditional vehicles, it also has disadvantages such as high energy consumption and inconvenient recovery. In the rapid propulsion mode, the existence of wings not only increases navigation resistance and reduces navigation stability but also is not conducive to the recovery and deployment of gliders. In view of this, a dual-hull hybrid powered underwater glider was proposed. The wings of the glider can be retracted according to the actual needs, which is different from the traditional fixed horizontal wing, so as to realize the reasonable distribution of energy and improve the comprehensive navigation performance of underwater gliders. In addition, the working mode, system composition, and wing retracting principle of the glider were introduced in detail, and a worm gear and worm glide wings retracting device was designed. The corresponding retracting mechanism was established. On this basis, the hydrodynamic performance of the wings was analyzed by numerical simulation method, and a reasonable shipborne configuration scheme was obtained.Keywords: underwater glider; double-hull; hybrid powered; gliding wing; hydrodynamic performance收稿日期: 2023-11-28; 修回日期: 2024-01-04.作者简介: 刘　健(1996-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为仿真计算、结构分析等.* 通信作者简介: 余祖耀(1972-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为液压控制及结构分析.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.1 2024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 刘健, 周广礼, 彭嘉澍, 等. 双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 25-31.0　引言水下滑翔机作为一种依靠浮力驱动的新型水下航行器[1]可主动调整自身净浮力与姿态角实现“锯齿形”轨迹运动。

洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动分析与控制器设计研究一、本文概述Overview of this article随着海洋科技的飞速发展，水下滑翔机作为一种新型的海洋探测设备，其在海洋环境监测、海底资源勘探、海洋灾害预警等领域的应用日益广泛。

然而，水下滑翔机在复杂的海洋环境中运行时，受到洋流、海流、潮汐等多种因素的影响，其动力学特性极为复杂。

因此，深入研究洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动分析以及控制器设计，对于提高水下滑翔机的运行效率、稳定性和安全性具有重要意义。

With the rapid development of marine technology, underwater gliders, as a new type of marine exploration equipment, are increasingly widely used in fields such as marine environmental monitoring, seabed resource exploration, and marine disaster warning. However, when underwater gliders operate in complex marine environments, they are influenced by various factors such as ocean currents, ocean currents, tides,etc., and their dynamic characteristics are extremely complex. Therefore, in-depth research on the dynamics modeling, motion analysis, and controller design of underwater gliding under the influence of ocean currents is of great significance for improving the operational efficiency, stability, and safety of underwater gliders.本文旨在探讨洋流影响下的水下滑翔机动力学建模方法，分析水下滑翔机在洋流作用下的运动特性，研究控制器设计策略以提高水下滑翔机的运动性能和鲁棒性。

基于流体力学的水下滑翔机设计研究随着科技的不断发展和人们对深海环境的探索需求日益增长，水下滑翔机的应用越来越受到关注。

水下滑翔机是一种能够在水下长时间滑翔的自主推进设备，具有较低的能耗和较高的控制精度，被广泛应用于海洋环境监测、海底矿产勘探、深海生态调查等领域。

本文将利用流体力学的知识，介绍水下滑翔机的基本原理和设计研究进展，并探讨其未来的发展方向与应用前景。

一、水下滑翔机的基本原理和结构水下滑翔机是一种能够通过改变自身重心位置而进行垂直上升和下降的设备，其工作原理类似于滑翔机。

水下滑翔机的结构主要由机身、翅膀和尾翼等组成，其中机身内部放置有各种传感器和控制器。

水下滑翔机采用的是激光测距控制技术，可在海底深度达到数千米的极端环境下完成自主控制任务。

二、水下滑翔机的流场分析水下滑翔机在水中滑行时，会遇到水的阻力和滑翔过程中产生的涡流等流体问题，因此流场分析是设计与优化水下滑翔机的重要工作之一。

首先，水下滑翔机在水中运动时受到的阻力包括湍流阻力和摩擦阻力等多种类型。

要降低阻力，需要减小机身和翅膀的阻力面积，并且采用流线型外形设计。

其次，在水下滑翔机运动过程中会产生诸如涡流、流磨砺、剪切力等复杂的物理现象。

这些流场问题会影响到滑翔机的稳定性和控制精度，需要在设计阶段通过流场模拟和实验来研究并解决。

三、水下滑翔机的应用前景和发展趋势水下滑翔机近年来在海洋环境监测、深海资源勘探、深海生态调查等领域得到广泛应用。

其在海洋环境监测中可以通过测量水温、盐度、水位等参数来监测海洋环境的变化；在深海资源勘探中，可以通过激光测距和探测仪器来获得地质结构信息，并进一步开展深海矿产资源开发；在深海生态调查中，可以对深海生物进行采样，研究海洋生态与保护。

未来，水下滑翔机的应用前景依然广阔。

在工业应用方面，水下滑翔机可以用于管道、基础设施的巡检和监控，也可以用于海底沉积物、矿产的采集和勘探。

在科学研究领域，水下滑翔机可以用于海洋生态与生物多样性研究、深海环境观测和地球探测等领域。

实验尺度无人水下滑翔机设计与试验杨海;刘雁集;张凯【摘要】The autonomous underwater glider is a type of highly efficient autonomous underwater vehicle. Aiming at the problem that full-scale legacy gliders have difficulties in forming steady gliding movement in typical tanks, which induces obstacles in their dynamics analysis, a laboratory-scale glider is designed in this paper, where the glider design, modeling, control,and experimental research are described in detail. Firstly, the structure of the glider is described, and hydrodynamic parameters are calculated based on CFD. Secondly, the glider's dynamic governing equation is established according to the internal mass distribu⁃tion. Finally, the Linear Quadratic Regulator(LQR)controller and the Kalman observerare designed, and certain amount of white noise is added into the observation process. The simulation results show that the controller and observer ensure the normal operation of the glider in the presence of noise, and the glider can achieve steady gliding motion at 3 m depth range, suggesting good stability and maneuverability.%无人水下滑翔机是一种高效的水下机器人。

毕业设计论文水下滑翔机设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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水下滑翔机动力学建模及PID控制随着人们对海洋资源的日益渴求，水下探测技术的发展成为了一种重要的技术手段。

水下滑翔机作为一种水下探测设备，具有探测范围大、时间长、能耗低等优势，但其控制难度大、自稳性差等问题也需要得到解决。

本文将结合水下滑翔机的运动学建模，对其动力学建模及PID控制进行探讨。

一、水下滑翔机运动学建模水下滑翔机本质上是一种受力平衡的物体，它的运动学模型可以通过欧拉-拉格朗日方程建模描述。

其中，当水下滑翔机沿着水平方向前进时，其位置坐标可表示为：X = [x, y, z]T其中，x、y、z分别表示水下滑翔机在X、Y、Z轴方向上的位置坐标。

水下滑翔机在水平方向的运动速率可表示为：V = [u, v, w]T其中，u、v、w分别表示水下滑翔机在X、Y、Z轴方向上的速度。

滑翔机在水面之下的深度可以表示为：Z = z由于滑翔机受到的杆翼力的作用，故受力方程为：F = - D - L - W其中，F表示所受到的总力，D表示阻力，L表示升力，W表示重力。

根据欧拉-拉格朗日方程，我们可以得出如下的滑翔机运动学模型：[物体质量矩阵][加速度矩阵] = [受力矩阵] - [惯性力矩阵]其中，物体质量矩阵为：M = [m 0 0 0 0 00 m 0 0 0 00 0 m 0 0 00 0 0 Ix 0 00 0 0 0 Iy 00 0 0 0 0 Iz]加速度矩阵为：a = [du/dt dv/dt dw/dt domega_x/dt domega_y/dt domega_z/dt]T 受力矩阵为：F = [U V W L M N]T其中，U、V、W分别为水下滑翔机在uvw坐标系下的速度，L、M、N分别表示滑翔机的滚转、俯仰和偏航力矩。

惯性力矩阵为：G = [0 0 0 0 -mw mv0 0 0 mw 0 mu0 0 0 -mu -mv 0]二、PID控制PID控制是一种基于比例、积分、微分优化的传统控制方法。