Σχεδίαση αυτόνομου υποβρύχιου καταγραφικού οχήματος οδηγούμενου με μεταβολή πλευστότητας

Abstract

This dissertation concerns the design of an underwater gliding vehicle and the study of its dynamics and motion, hydrodynamics, control, and navigation. Underwater gliders are a novel type of autonomous underwater vehicle that are travelling through the sea collecting data along a desired path. In this work the dynamic equations of motion of an underwater glider are formulated. The longitudinal model is derived from the three dimensional glider model and the equilibria steady glides are found in order to design steady glide paths for a specific vehicle that was designed. The principle challenge in the design of the vehicle was power conservation. This has been taken into account in every step of glider design. Through this process a methodology of designing buoyancy driven underwater gliders has been developed. The hydrodynamic forces were calculated and the equations of motion were solved. Furthermore, equilibrium motion parameters during steady glides were set and suitable control parameters were chosen, to accomplish the desirable path with the minimal power consumption. The methodology was applied in the design of an underwater vehicle prototype, the features of which were compared with those of other existing gliders. Underwater gliders do not use thrusters or propellers for propulsion. They are buoyancy driven and their buoyancy is controlled through the use of internal tanks and pumps while their position by moving internal masses and using external control surfaces such as a rudder. Initially in this work the general dynamic equations of the vehicle's motion are formulated including hydrodynamic forces, buoyancy and added mass effects, as well as the nonlinear coupling between glider and moving internal masses. Then the equations of motions are adapted to the specific vehicle that was designed in NTUA. The hydrodynamic design of the hull and its shape optimization aimed to minimize the induced drag. The hydrodynamic behavior of the vehicle was studied and its characteristics were adopted in the analytical model. The three dimensional glider model was confined to the vertical plane and the equations were solved in order to derive the optimal glide paths, where the energy consumption is minimal. Using a robust control system the glider is capable of operating efficiently with low power consumption. Dive control algorithms and feedback control loops were designed and analyzed. The glider analytical model can also be applied to the design of the underwater vehicle. The relation between system parameters like glide velocity, glider and ballast sizing was investigated. Thus a basic structure for the designing process and some basic principles for the selection of its characteristics form. Finally its technological principles are presented in terms of its mechanical design and a preliminary description of its electrical components.

Αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη τεχνογνωσίας και η σχεδίαση μετρητικού οργάνου σε μορφή υποβρύχιου οχήματος, ικανού να πραγματοποιεί αυτόνομες ωκεανογραφικές μετρήσεις με προγραμματισμένη διαδρομή και πορεία (υδρόπτερο). Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διατυπώνονται αρχικά οι εξισώσεις κίνησης αυτόνομου υποβρύχιου υδρόπτερου με σκοπό την επίλυση τους σε κατάσταση ισορροπίας ώστε να γίνει ο σχεδιασμός σταθερών διαδρομών για συγκεκριμένο όχημα. Ο σχεδιασμός του υδρόπτερου έγινε με βασικό γνώμονα την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας κατά τη διάρκεια των αποστολών. Μέσα από τη διαδικασία αυτή αναπτύχθηκε μεθοδολογία σχεδιασμού αυτόνομων υποβρύχιων οχημάτων (υδρόπτερων) οδηγούμενων με μεταβολή πλευστότητας. Υπολογίσθηκαν οι υδροδυναμικές δυνάμεις, επιλύθηκαν οι εξισώσεις κίνησης, καθορίστηκαν οι παράμετροι κίνησης σε κατάσταση ισορροπίας, καθώς και οι παράμετροι ελέγχου της σε τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται η επιθυμητή διαδρομή με την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας. Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόστηκε στην περίπτωση πρότυπης σχεδίασης υποβρύχιου οχήματος ενώ συγκρίθηκαν τα χαρακτηριστικά του με αυτά άλλων υφιστάμενων υδρόπτερων. Τα υποβρύχια υδρόπτερα δεν χρησιμοποιούν κινητήρες και προπέλες για την πρόωσή τους. Η υποθαλάσσια πορεία τους επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας την πλευστότητά τους με τη βοήθεια εσωτερικών δεξαμενών και αντλιών και τη θέση τους στο χώρο μετακινώντας εσωτερικές μάζες. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής δίνονται αρχικά οι γενικές δυναμικές εξισώσεις κίνησης του οχήματος και διατυπώνεται η σύζευξη της κίνησης του με τις εσωτερικές μάζες. Στη συνέχεια οι εξισώσεις προσαρμόζονται στο όχημα που σχεδιάστηκε στο ΕΜΠ. Ο υδροδυναμικός σχεδιασμός τουπεριβλήματος έγινε με στόχο την βελτιστοποίηση του σχήματος ώστε να ελαχιστοποιείται η επαγόμενη αντίσταση. Μελετήθηκε η υδροδυναμική συμπεριφορά του οχήματος και τα χαρακτηριστικά του υιοθετήθηκαν από το αναλυτικό μοντέλο. Ο περιορισμός της κίνησης στο επίπεδο και η επίλυση των δυναμικών εξισώσεων οδήγησε στην εύρεση των βέλτιστων διαδρομών όπου ελαχιστοποιείται η κατανάλωση ενέργειας. Σε συνδυασμό με ένα εύρωστο σύστημα ελέγχου το υδρόπτερο που σχεδιάστηκε είναι ικανό να πραγματοποιεί τις αποστολές του με ευελιξία και οικονομία στην κατανάλωση ενέργειας. Με αυτό το στόχο σχεδιάσθηκαν αλγόριθμοι ανάδυσης, κατάδυσης και βρόγχοι ανατροφοδότησης για τη διόρθωση της πορείας του ενώ προτάθηκαν για περαιτέρω εφαρμογή μέθοδοι βελτίωσης τέτοιων συστημάτων με τη βοήθεια του αναλυτικού μοντέλου. Το αναλυτικό μοντέλο έχει εφαρμογή και στη σχεδίαση του οχήματος. Διερευνήθηκε η σχέση μεταξύ διαφόρων παραμέτρων του συστήματος όπως ταχύτητα, μεταβλητή μάζα και μέγεθος του οχήματος. Έτσι προέκυψε μία βασική δομή στη διαδικασία σχεδιασμού και κάποιες θεμελιώδεις αρχές για την επιλογή των χαρακτηριστικών του. Τέλος παρουσιάσθηκαν οι τεχνολογικές του αρχές με το μηχανολογικό του σχεδιασμό και μια προκαταρκτική περιγραφή των ηλεκτρονικών του συνιστωσών.