水下无人系统学报

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胡桥, 赵振轶, 冯豪博, 姜川

2023, 31(2): 189-200. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0002

[摘要](242) [HTML全文] (39) [PDF 2032KB](124)

摘要:
随着智能集群技术的发展和日渐成熟, 自主水下航行器(AUV)以集群的形式互相协作执行任务成为了未来水下任务发展的必然趋势。由于水下环境的特殊性, 水下多航行器集群协同任务面临巨大挑战。论文概述了国内外AUV智能集群协同任务的相关研究进展。从集群围捕、路径规划、编队控制等角度, 系统性阐述了AUV智能集群多种任务及其关键技术的国内外发展现状, 同时介绍了作者团队近年来开展AUV集群协同围捕和水下多路径规划等研究工作。通过对现有研究成果的总结与分析, 为探索和规划水下多航行器集群协同任务的发展方向提供了参考。

柔性胸鳍推进仿蝠鲼机器鱼CPG运动控制

南凯刚, 姜晟, 张进华, 成海炎

2023, 31(2): 201-210. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203009

[摘要](167) [HTML全文] (19) [PDF 4780KB](45)

摘要:
文中以蝠鲼为仿生对象, 提出了一种基于柔性胸鳍推进的仿蝠鲼机器鱼设计方案, 并针对该机器鱼设计了基于中枢模式发生器(CPG)的运动控制策略, 进行了控制参数的影响分析与多种运动模态的性能测试。首先, 对蝠鲼的运动特征进行了分析, 在实际仿生功能需求下提出了仿蝠鲼机器鱼的整体设计方案。然后, 为实现仿蝠鲼机器鱼在不同游动模式下的稳定游动及连续平稳切换, 设计了一种CPG运动控制方法, 并分析了各控制参数对CPG拓扑网络结构输出信号的影响。最后, 对仿蝠鲼机器鱼的机动性进行了进一步的游动测试, 验证了仿蝠鲼机器鱼能在水下灵活实现直线巡游、转向及浮潜等多种运动模态, 具有出色的运动性能和应用前景。

材料密度对超空泡射弹尾拍特性的影响

黄宝珠, 李代金, 黄闯, 古鉴霄, 罗凯

2023, 31(2): 211-220. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204014

[摘要](150) [HTML全文] (11) [PDF 3052KB](29)

摘要:
水下超空泡射弹的尾拍运动对其弹道稳定性和作战效能具有重要影响, 为研究不同材料密度对射弹尾拍运动特性的影响, 采用动网格移动计算域技术, 建立了超空泡射弹数值计算方法和模型, 分别计算分析了铝合金、结构钢及钨合金3种不同材料超空泡射弹的弹道特性与流体动力特性, 获得了材料密度对射弹尾拍运动的影响规律。结果表明: 在出膛动能一定的条件下, 不同材料密度的射弹攻角、俯仰角速度和流体动力参数均呈周期性变化; 材料密度越大, 射弹尾拍运动周期越长, 速度衰减越慢, 对垂直方向速度影响越小。对比3种材料的射弹, 采用结构钢材质的射弹表现出更为优良的弹道性能。

考虑时延约束的UUV密集集群自适应聚集控制方法

梁洪涛, 康凤举

2023, 31(2): 221-228, 258. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112012

[摘要](86) [HTML全文] (15) [PDF 2848KB](32)

摘要:
针对时延条件下无人水下航行器(UUV)集群聚集控制问题, 受不同尺度生物仿生机理启发, 提出一种密集集群自适应聚集控制方法。首先, 设计考虑近邻数量和空间分布的仿生邻居筛选机制, 以此建立单近邻跟随与多近邻跟随耦合的自适应集群结队交互模型, 确保交互邻居在数量和空间上最优。其次, 结合结对交互模型与一致性协议、势场函数模型和扰动观测器, 设计时延约束的UUV密集集群自适应聚集控制方法, 避免集群发生碰撞和分裂。最后, 通过Lyapunov定理证明时延条件下UUV密集集群状态一致性以及避碰和连通性保持。仿真结果验证了所设计控制方法的有效性和优越性。

基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计

王重阳, 于化鹏, 李子圆, 赵德鑫

2023, 31(2): 229-236. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202011

[摘要](164) [HTML全文] (12) [PDF 1936KB](53)

摘要:
姿态信息是自主导航的重要参数, 现有高精度导航设备价格昂贵、体积大, 因此小型化、低成本自主导航技术成为研究热点。受仿生学启发, 文中构建了基于压力传感器阵列的自主水下航行器(AUV)姿态反演估计模型, 将已知压强和姿态数据输入模型, 训练出模型参数, 从而利用压强数据反演估计姿态信息。按照轨迹、深度、速度等因素开展了多组试验, 验证了所提方法的有效性。试验结果表明, 利用基于压力传感器阵列的AUV姿态反演估计方法, 其俯仰角误差小于2.069 9°, 横滚角误差小于2.990 8°, 且不存在累积误差, 在自主导航系统中具有较高应用潜力。

基于强化学习的无人水面艇能耗最优路径规划算法

李佩娟, 颜庭武, 杨书涛, 李睿, 杜俊峰, 钱福福, 刘义亭

2023, 31(2): 237-243. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203002

[摘要](183) [HTML全文] (105) [PDF 1349KB](88)

摘要:
针对无人水面艇路径规划时存在洋流、障碍物等外部干扰的问题, 提出一种改进的基于强化学习的无人水面艇能耗最优路径规划算法。首先, 建立多个随机涡流组成的二维洋流模型和无人水面艇平面运动学模型; 其次, 依据洋流和无人水面艇相对速度关系, 计算路径点是否可达; 然后, 利用改进的奖励函数、动作集和状态集求解全局最优路径, 并采用B样条法进行平滑; 最后, 在2种典型环境下进行了数值仿真。仿真结果表明，该算法可规划出一条能耗最优且平滑的路径, 验证了算法的有效性和最优性。

基于遗传算法的应召搜潜路径优化

张宁, 寇小明, 李斌, 李谦, 周景军

2023, 31(2): 244-251. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0002

[摘要](159) [HTML全文] (118) [PDF 1414KB](54)

摘要:
针对水面舰艇应召反潜中敌潜艇未知航向机动的情形, 提出了一种基于遗传算法的对潜搜索方法。该方法分别结合了舰船声呐探测模型、敌潜艇目标运动模型、舰船搜索运动模型以及搜索路径发现概率计算模型, 并将信息置信度引入发现概率计算模型, 增强了发现概率计算的可信度; 再利用遗传算法分别求解单舰及双舰在应召反潜搜索过程中每段的最优航向角和速度, 分别给出单舰和双舰应召螺旋搜索的最优路径; 最后给出了单舰和双舰在仅改变转角和既改变转角又改变速度条件下, 搜索到目标发现概率的变化规律。通过与传统螺旋算法对比表明, 增加改变速度的舰船搜索机制更为灵活, 可提高发现概率; 当搜索兵力足够时, 采用多舰编队搜索可大幅度提高发现概率。该研究可为水面舰搜攻潜作战提供参考。

基于MEA-BP神经网络的压力传感器误差补偿算法

时豪, 范辉, 李建辰, 赵润辉, 李亚

2023, 31(2): 252-258. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202205002

[摘要](107) [HTML全文] (59) [PDF 2122KB](26)

摘要:
针对压阻式压力传感器对环境条件变化较为敏感, 温度变化时会产生热漂移, 影响传感器性能的不足, 文中采用思维进化(MEA)-反向传播(BP)神经网络算法对压阻式压力传感器建立误差补偿模型, 该模型利用MEA算法对神经网络的初始权值和阈值进行优化, 减少了由于初值的不确定性导致训练陷入局部最优的可能性, 并采用Levenberg-Marquardt算法代替梯度下降法加快神经网络的收敛速度, 增加补偿算法的可靠性。仿真试验结果表明, MEA-BP算法与原始BP神经网络补偿法和遗传算法-BP神经网络补偿法相比, 均方根误差期望值分别降低了48.7%和8.29%, 且标准差分别降为其他2种算法的5%和4%, 证明经过MEA算法优化的BP神经网络补偿方法能更加精确地补偿温度造成的影响, 且补偿结果更为可靠。

基于IMM算法的多AUV协同定位水声传播延迟处理方法

陈世杰, 刘锡祥, 黄永江, 章彩霞, 陶育杰, 童金武

2023, 31(2): 259-268, 277. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204011

[摘要](210) [HTML全文] (11) [PDF 3507KB](52)

摘要:
针对主从式自主水下航行器(AUV)协同定位系统存在的水声探测与通信的延迟问题, 提出一种基于交互式多模型(IMM)算法的时间延迟处理方法。首先建立多AUV系统的协同定位计算模型, 针对系统非线性运动方程与非线性量测, 分析扩展卡尔曼滤波(EKF)协同定位结果因水声信号传播延迟产生的定位误差; 其次阐述常规延迟扩展卡尔曼滤波(DEKF)在处理时间延迟环节中无法实现对机动性目标AUV运动状态的精准跟踪问题; 最终设计IMM-DEKF算法, 选择适当的运动模型作为子滤波器, 利用新息更新模型概率, 精确跟踪主AUV运动状态, 降低从AUV滤波器中对主AUV状态值的估计误差, 实现整体协同系统定位精度的提高。仿真结果验证了所提算法在常规EKF的基础上有效提高了从AUV滤波器对主AUV航迹预测精度, 使得协同定位系统的整体定位精度得到提升。

一种近海水域磁异常信号检测方法

杜德锋, 陈帅, 王磊, 孟凡凯

2023, 31(2): 269-277. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203008

[摘要](244) [HTML全文] (30) [PDF 4294KB](72)

摘要:
磁异常信号检测在近海防御领域应用前景广阔, 实现远距离、长时间监测是目前亟待解决的问题。文中提出一种水下磁异常探测模型, 引入小波域分析与正交基分解检测的方法, 通过对磁异常信号特征与小波分解频率分析, 提出一种自适应层数确定方法, 再进行去噪正交基分解能量检测的自主处理流程。针对小波域去噪问题, 在不同分解尺度下, 提出独立使用不同收缩系数对细节系数进行处理, 提高对高频噪声抑制效果。研究结果表明相对于传统小波去噪, 文中方法信噪比提升约27%, 误识别率降低39%。

基于浅海声强干涉的双水听器运动声源速度估计

姚远, 孙超, 谢磊, 刘雄厚

2023, 31(2): 278-284. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0068

[摘要](146) [HTML全文] (22) [PDF 2529KB](46)

摘要:
针对低信噪比时难以利用低频分析记录谱中宽带连续谱条纹状干涉图样估计声源运动速度的问题, 提出一种基于双水听器利用线谱声强干涉起伏估计运动声源速度的方法。该方法利用声源运动参数对时间维线谱声强干涉起伏进行重采样, 得到满足正比关系的不同频率线谱声强干涉起伏。通过建立两频率线谱声强干涉起伏之间相关系数的代价函数, 搜索出双水听器各自对应的最近通过时间和距速比参数, 再结合声源与双水听器的距离位置关系, 最终解算出声源运动速度。仿真实验表明, 该方法能有效估计声源运动速度, 对背景噪声下低速运动声源有较好的测速效果

高速运动声呐海底宽带混响建模与仿真

杨佳宜, 杨云川, 李永胜, 石磊, 杨向锋

2023, 31(2): 285-290. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0003

[摘要](204) [HTML全文] (26) [PDF 1610KB](41)

摘要:
海底混响是鱼雷在声速近似满足负梯度分布的浅海水域进行目标探测时的主要干扰源。为了准确、便捷、可复现地获得混响信号, 并研究其统计特性, 文中提出一种基于Bellhop模型的高速运动声呐海底宽带混响仿真方法。该方法先将对混响有贡献的海底区域划分为若干个不均匀的散射单元, 计算每个单元的散射特征函数, 其中传播损失通过Bellhop模型计算; 再基于网络模型仿真得到包含幅值、相位与多普勒频移等主要影响因子的海底混响模拟信号。最后, 对仿真信号与实航信号进行时频域分析及相似性比较。结果表明, 以仿真信号与实测数据瞬时值的概率密度分布的点积比为评价标准, 文中的方法与实航数据相似度明显提高, 验证了模型的有效性。

基于广义预测控制的永磁同步电机单环鲁棒控制

杨曦, 刘国海, 刘亚兵, 崔佳伦

2023, 31(2): 291-297. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203007

[摘要](111) [HTML全文] (166) [PDF 1750KB](26)

摘要:
为改进无人水下航行器(UUV)用永磁同步电机(PMSM)控制系统的动态性能和鲁棒性, 简化控制系统结构, 提出了一种基于广义预测控制的PMSM单环控制策略。该方法基于连续时间的PMSM模型, 通过优化新型目标函数的非线性广义预测控制策略, 设计了PMSM转速-电流单环控制器。同时采用电流约束策略, 避免了电流过大对电机和逆变控制器造成的损害。该控制器控制结构简单, 只需调节预测时域即可实现PMSM强鲁棒控制, 工程上易于实现。仿真实验结果表明, 所研究控制策略能有效抑制外部扰动和内部参数摄动的影响, 实现了UUV用PMSM控制系统的快速动态响应和强鲁棒性。

燃料泵柱塞油膜摩擦生热CFD仿真分析

陈文杰, 李永东, 白长青

2023, 31(2): 298-304, 315. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202111003

[摘要](117) [HTML全文] (17) [PDF 3202KB](14)

摘要:
对水下燃气涡轮机动力系统燃料泵柱塞油膜摩擦生热问题, 结合流体力学动网格和滑移网格方法, 根据柱塞运动方程进行用户自定义函数编程, 考虑油液的粘温特性建立燃料泵柱塞油膜仿真计算模型, 并给出了柱塞油膜摩擦生热建模分析方法。根据所提出分析方法对柱塞油膜摩擦生热进行了仿真分析, 研究了出口压力、壁面温度及转速等参数对油膜摩擦生热引起温度变化的影响规律。获得如下结论: 入口压力为0.5 MPa时, 出口压力的变化对油膜温度上升影响较小, 且油膜顶部位置温度上升量最大, 在转速为2 250 r/min工况下温度上升量可达4 K左右; 2) 在300~373 K范围内, 壁面温度每上升20 K, 油膜顶部温度上升量降低约50%, 且373 K时油膜顶部温度上升量仅为300 K时的9.2%; 3) 油膜温度上升量与转速近似呈线性关系。

航行器水面滑行喷水推进特性研究

刘富强, 周霖仪, 孙元, 闫靠

2023, 31(2): 305-315. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201007

[摘要](120) [HTML全文] (25) [PDF 3140KB](37)

摘要:
基于STAR-CCM+软件, 采用剪切应力传输 k-ω 湍流模型、多重参考系模型和理想水泵模型构建航行器水面滑行喷水推进数值仿真模型, 并进行了可行性验证。基于理想水泵模型对内流道单侧进水特性进行仿真, 用理想水泵特征压差的大小来表征轴流水泵吸水能力。并对航行器在不同压差和不同浸没深度水面滑行工况进行数值仿真, 研究其流场特性和流体动力特性。结果表明, 理想水泵模型对轴流水泵吸水具有较好的仿真效果; 对比不同特征压差航行器内流道的流体动力特性, 发现随着压力值的增大, 内流道阻力明显增大, 内流道升力几乎不变; 在不同浸没深度水面滑行数值仿真中, 当进水口浸没深度大于20 mm时, 内流道进水效果不再受浸没深度影响。研究结果可为航行器水面滑行喷水推进工程应用提供参考。

波浪滑翔器海洋观测数据质量控制研究

周莹, 于佩元, 孙秀军, 桑宏强

2023, 31(2): 316-322, 328. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202003

[摘要](250) [HTML全文] (109) [PDF 2851KB](46)

摘要:
观测数据的准确性和可信度是波浪滑翔器数据质量控制的核心, 有效的数据质量控制方法是波浪滑翔器观测数据推广应用必不可少的技术手段。为提升波浪滑翔器观测数据质量, 文中以气温和气压数据为例, 提出一种新型海洋观测数据质量控制方法, 该方法包括数据检验和数据修正环节：数据检验通过范围检验和尖峰检验对波浪滑翔器观测数据进行异常值剔除；数据修正采用反向传播(BP)神经网络算法对检验后的观测数据进行数据修正, 提升观测数据整体准确性。利用“黑珍珠”波浪滑翔器集成的AIRMAR-BP200和GILL-GMX600气象传感器进行比对试验并获取大量数据样本, 将该样本数据用于BP神经网络模型训练。同时, 为验证所提出的数据质量控制方法的有效性, 对“黑珍珠”波浪滑翔器海上试验获取的观测数据进行数据质量控制和分析, 结果表明文中提出的数据质量控制方法可有效提高观测数据的准确性。

无人水下航行器鱼雷攻击智能决策需求与方法探讨

马亮, 郭力强, 张会, 杨静, 刘剑

2023, 31(2): 323-328. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202201003

[摘要](149) [HTML全文] (23) [PDF 1695KB](46)

摘要:
无人装备的自主技术是当前最具活力的前沿技术领域, 提高决策的智能化程度是无人水下航行器(UUV)发展的必然趋势。鱼雷攻击决策是攻击型UUV遂行攻击任务的重要环节, 也是形成自组织跨域协同、自主集群对抗等作战能力的基础和前提。从梳理作战运用特点和典型任务样式出发, 总结UUV与有人平台相比存在的优势和不足, 分析其不同于传统鱼雷攻击的决策内容, 阐述决策功能实现需要解决的关键问题, 并结合机器学习技术的发展现状, 提出适用于解决观测数据不确定性大、攻击决策实时性难保证和模型感知交互能力弱等方面问题的智能决策方法, 可为未来无人装备研制与智能决策领域的研究提供借鉴。

线导鱼雷动力电池管外激活发射初始弹道研究

丁浩, 孙乃葳, 黄波

2023, 31(2): 329-332, 348. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204002

[摘要](76) [HTML全文] (28) [PDF 2597KB](17)

摘要:
为研究线导鱼雷动力电池管外激活发射初始弹道, 文中运用流体力学理论, 对线导鱼雷出管过程动力学进行分析。基于鱼雷航行动力学方程, 结合线导鱼雷特点, 建立线导鱼雷管外激活出管纵向运动模型, 分别对横舵管制舵角和鱼雷出管速度取不同值时, 纵平面初始弹道进行仿真, 得到动力电池激活前鱼雷与发射艇的水平距离、深度差、鱼雷俯仰角以及速度的变化曲线, 并对仿真数据进行分析。结果表明: 以上2个参数对线导鱼雷管外激活初始弹道以及鱼雷航行姿态都有影响, 通过合理设定横舵管制舵角, 并尽量提高鱼雷出管速度, 线导鱼雷管外激活发射可获得安全的初始弹道以及良好的姿态控制, 验证了该发射方式的可行性。

鱼雷环境应力与工作应力耦合效应研究

佘阳, 王斗辉, 谢章用, 陆家乐, 李劲, 陈欢

2023, 31(2): 333-338. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0042

[摘要](130) [HTML全文] (11) [PDF 1088KB](25)

摘要:
鱼雷环境应力与工作应力的耦合效应直接影响其可靠性、工作寿命乃至作战效能。而耦合效应的研究尚处于起步阶段, 对耦合效应下的失效模式和影响尚无系统研究。针对此, 文章通过历史数据分析和典型失效案例介绍, 系统总结了鱼雷常用零部件包括弹簧、紧固件、焊接件、轴类零件、轴承类、齿轮类、转子叶片类、液压系统和高分子材料类等, 在环境应力和工作应力耦合下的失效模式, 产生的失效模式包括松脱断裂、密封失效、腐蚀锈蚀和机械变形等, 并分析了上述失效模式对鱼雷的影响。研究结果发现: 鱼雷同时承受环境应力和工作应力的耦合作用, 环境应力作为外界应力对鱼雷各零部件产生一定影响, 使零部件缺陷或薄弱部位进一步恶化, 同时工作应力进一步加深缺陷和薄弱环节的裂纹、磨损、老化的扩展, 最终导致失效或故障。可为鱼雷可靠性分析和改进提供理论支撑。

基于声呐图像的水下目标检测研究综述

郝紫霄, 王琦

2023, 31(2): 339-348. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202205004

[摘要](318) [HTML全文] (20) [PDF 1850KB](134)

摘要:
通过处理声呐图像实现水下目标检测具有重大的军事与民用意义。文章对基于声呐图像的水下目标检测原理、方法、算法和发展趋势进行了全面阐述。将基于声呐图像的水下目标检测任务分为传统水下目标检测、基于深度学习的目标检测, 以及深度学习与迁移学习相结合的目标检测3个层面。又分别将传统目标检测分为基于数理统计、基于数学形态学以及基于像素的水下目标检测; 将基于深度学习的目标检测分为基于一阶段方法、基于二阶段方法以及基于DETR的目标检测; 将深度学习与迁移学习相结合的目标检测分为基于简单深度神经网络模型的迁移与基于复杂深度学习模型的迁移所实现的目标检测进行了具体讨论。最后总结归纳现有技术的优缺点, 并对该领域的未来发展方向作出进一步的展望。

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