优先发表

优先发表栏目展示本刊经同行评议确定正式录用的文章,这些文章目前处在编校过程,尚未确定卷期及页码,但可以根据DOI进行引用。
显示方式:
基于特征参数的任务可用能力构建与优化
梁晓玲, 邓建辉, 陈思均
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0126
摘要:
文中提出了神经模糊系统(NFS)建立航保系统的易损性模型, 将模糊规则引入神经网络的框架中, 建立系统任务可用能力评估模型。该方法结合了模糊逻辑的推理能力和神经网络的无限逼近函数能力, 建立真实系统的替代模型, 更具普适性。采用智能优化算法使得替代模型最大限度接近真实模型, 摆脱了系统中未知权重系数依赖于专家或经验的影响, 赋予模糊神经网络(FNN)学习能力。实验结果和分析表明评估的全面性和合理性模型, 可应用于航保系统能力评估研究。 文中提出了神经模糊系统(NFS)建立航保系统的易损性模型, 将模糊规则引入神经网络的框架中, 建立系统任务可用能力评估模型。该方法结合了模糊逻辑的推理能力和神经网络的无限逼近函数能力, 建立真实系统的替代模型, 更具普适性。采用智能优化算法使得替代模型最大限度接近真实模型, 摆脱了系统中未知权重系数依赖于专家或经验的影响, 赋予模糊神经网络(FNN)学习能力。实验结果和分析表明评估的全面性和合理性模型, 可应用于航保系统能力评估研究。
基于液态金属型摩擦纳米发电的水下仿生触须传感器研究
李原正, 王天润, 关堂镇, 徐鹏, 王昊, 徐敏义
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0125
摘要:
为了提升水下机器人的机动性和适应性, 增强其感知周围环境的能力是必要的。受动物触须的毛囊结构启发, 本文将液态金属与摩擦纳米发电机相结合, 提出了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(LTWS), 在浑浊度高、视距低的水环境中作为水下机器人光学与声学感知技术的补充, 提升水下机器人的信息感知能力。LTWS主要由碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元、基座等组成, 碳纤维触须的细微偏转会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。LTWS的感知信号与触须横向位移呈线性关系, 灵敏度可达7.9 mV/mm。值得一提的是, 触碰频率对输出信号的影响较小。LTWS丰富了水下机器人的感知手段, 为实现海洋信息感知提供了新的思路。 为了提升水下机器人的机动性和适应性, 增强其感知周围环境的能力是必要的。受动物触须的毛囊结构启发, 本文将液态金属与摩擦纳米发电机相结合, 提出了一种基于液态金属的摩擦电触须传感器(LTWS), 在浑浊度高、视距低的水环境中作为水下机器人光学与声学感知技术的补充, 提升水下机器人的信息感知能力。LTWS主要由碳纤维材料触须、硅胶囊套、触发器、记忆合金弹簧、传感单元、基座等组成, 碳纤维触须的细微偏转会驱动触发器靠近并挤压对应方向的传感单元, 进而产生电信号。LTWS的感知信号与触须横向位移呈线性关系, 灵敏度可达7.9 mV/mm。值得一提的是, 触碰频率对输出信号的影响较小。LTWS丰富了水下机器人的感知手段, 为实现海洋信息感知提供了新的思路。
散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强
宁泽萌, 林森, 李兴然
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0131
摘要:
针对水下图像存在颜色偏差、对比度低及模糊等问题, 提出散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强方法。首先, 利用相对总变分模型分离图像结构层和纹理层。其中, 设计基于RGB空间映射的补偿系数矩阵校正结构层色偏, 并通过滤波分离与融合增强纹理层, 以防止图像的初始特征丢失, 增强后的纹理层与结构层叠加得到第一层输出; 然后, 在对比度均衡模块中, 基于空间变换进行保色对比度限制自适应直方图均衡化, 进一步提高对比度和亮度。最后, 将双层增强结构的结果图融合得到输出图像。通过在不同数据集上与各种经典及新颖的算法对比, 验证本文方法在平衡色差, 增强细节及去模糊等方面均具有更好效果, 对于水下无人系统视觉任务具有实际应用价值。 针对水下图像存在颜色偏差、对比度低及模糊等问题, 提出散射光补偿结合色彩保持与对比度均衡的水下图像增强方法。首先, 利用相对总变分模型分离图像结构层和纹理层。其中, 设计基于RGB空间映射的补偿系数矩阵校正结构层色偏, 并通过滤波分离与融合增强纹理层, 以防止图像的初始特征丢失, 增强后的纹理层与结构层叠加得到第一层输出; 然后, 在对比度均衡模块中, 基于空间变换进行保色对比度限制自适应直方图均衡化, 进一步提高对比度和亮度。最后, 将双层增强结构的结果图融合得到输出图像。通过在不同数据集上与各种经典及新颖的算法对比, 验证本文方法在平衡色差, 增强细节及去模糊等方面均具有更好效果, 对于水下无人系统视觉任务具有实际应用价值。
基于图诱导对齐的域自适应水下目标检测方法
刘麒东, 沈鑫, 刘海路, 丛璐, 付先平
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0149
摘要:
水下环境因受到光照、泥沙等影响, 在水下进行目标检测时通常更容易出现域偏移而导致检测精度下降。针对此现象, 文中提出了基于图诱导对齐的域自适应水下目标检测方法, 图诱导原型对齐(GPA)是通过区域建议之间基于图的信息传播得到图像中的实例级特征, 再导出每个类别的原型表示用于类别级域的对齐。通过上述操作可以很好地聚合水下目标不同的模态信息, 以此实现源域和目标域的对齐从而减少域偏移带来的影响。此外, 为了使神经网络专注于不同水域分布下的实例级特征, 还在其中添加了卷积块注意(CBAM)模块。实验结果证明, 水下环境中GPA能有效对齐源域和目标域中的实例特征, CBAM可以使网络更加注意图像中的实例特征, 提高检测精度。 水下环境因受到光照、泥沙等影响, 在水下进行目标检测时通常更容易出现域偏移而导致检测精度下降。针对此现象, 文中提出了基于图诱导对齐的域自适应水下目标检测方法, 图诱导原型对齐(GPA)是通过区域建议之间基于图的信息传播得到图像中的实例级特征, 再导出每个类别的原型表示用于类别级域的对齐。通过上述操作可以很好地聚合水下目标不同的模态信息, 以此实现源域和目标域的对齐从而减少域偏移带来的影响。此外, 为了使神经网络专注于不同水域分布下的实例级特征, 还在其中添加了卷积块注意(CBAM)模块。实验结果证明, 水下环境中GPA能有效对齐源域和目标域中的实例特征, CBAM可以使网络更加注意图像中的实例特征, 提高检测精度。
基于改进PSO-Lévy算法的海流环境下AUV节能路径规划
杨惠珍, 王子江, 周卓彧, 杨钧, 李建国
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0062
摘要:
为了获取海流环境中自主水下航行器(AUV)的节能避障路径, 建立了包含海流场速度信息、水下地形障碍的三维动态海流环境模型; 基于航行能耗、AUV机动性能约束和障碍物约束, 建立增广目标函数, 提出了一种基于权重调节机制和随机游走特性的改进PSO-Lévy算法。将基于最佳阻尼比的参数调节策略和基于Lévy-flight过程的步长随机游走策略引入PSO算法, 通过概率执行粒子大步长游走操作以及对粒子惯性速度进行调控, 弥补了PSO步长短、跳出局部最优能力弱的劣势。仿真结果表明, 所提出的算法能在有效避开障碍物的同时利用海流信息规划出低能耗的最优路径。 为了获取海流环境中自主水下航行器(AUV)的节能避障路径, 建立了包含海流场速度信息、水下地形障碍的三维动态海流环境模型; 基于航行能耗、AUV机动性能约束和障碍物约束, 建立增广目标函数, 提出了一种基于权重调节机制和随机游走特性的改进PSO-Lévy算法。将基于最佳阻尼比的参数调节策略和基于Lévy-flight过程的步长随机游走策略引入PSO算法, 通过概率执行粒子大步长游走操作以及对粒子惯性速度进行调控, 弥补了PSO步长短、跳出局部最优能力弱的劣势。仿真结果表明, 所提出的算法能在有效避开障碍物的同时利用海流信息规划出低能耗的最优路径。
受限空间内水下爆轰燃气射流发展特性
徐祗乾, 康杨, 李宁, 黄孝龙, 李灿, 翁春生
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0104
摘要:
为探索脉冲爆轰水冲压发动机水下工作时导水器内燃气射流发展特性, 利用可燃气体的爆轰在水下受限空间内产生脉动气泡, 对爆轰管在圆筒形受限空间内的水下爆轰燃气射流进行了数值仿真与实验验证。基于雷诺时均基本方程组与k-epsilon两方程模型耦合VOF气液界面追踪方法的相输运方程建立受限空间中水下单次燃气射流流场流动模型, 使用OpenFOAM中的CompressibleInterFoam求解器对受限空间中脉冲爆轰燃气射流进行数值求解。结果表明: 受限空间对水下爆轰的前导激波的影响较小, 前导激波幅值与自由空间相比变化不大, 由爆轰燃气射流所引起的压力扰动大幅升高且持续时间明显增加, 受限空间中各处压力显著高于受限空间之外; 受限空间中燃气泡的脉动周期延长至60 ms左右, 然而受限空间径向尺寸对燃气泡的脉动周期影响较小。可见, 受限空间可提高水下爆轰管出口近场压力并延长燃气射流作用时间, 研究结果对脉冲爆轰水冲压发动机推力性能提升方法研究具有重要指导作用。 为探索脉冲爆轰水冲压发动机水下工作时导水器内燃气射流发展特性, 利用可燃气体的爆轰在水下受限空间内产生脉动气泡, 对爆轰管在圆筒形受限空间内的水下爆轰燃气射流进行了数值仿真与实验验证。基于雷诺时均基本方程组与k-epsilon两方程模型耦合VOF气液界面追踪方法的相输运方程建立受限空间中水下单次燃气射流流场流动模型, 使用OpenFOAM中的CompressibleInterFoam求解器对受限空间中脉冲爆轰燃气射流进行数值求解。结果表明: 受限空间对水下爆轰的前导激波的影响较小, 前导激波幅值与自由空间相比变化不大, 由爆轰燃气射流所引起的压力扰动大幅升高且持续时间明显增加, 受限空间中各处压力显著高于受限空间之外; 受限空间中燃气泡的脉动周期延长至60 ms左右, 然而受限空间径向尺寸对燃气泡的脉动周期影响较小。可见, 受限空间可提高水下爆轰管出口近场压力并延长燃气射流作用时间, 研究结果对脉冲爆轰水冲压发动机推力性能提升方法研究具有重要指导作用。
基于自抗扰理论的欠驱动AUV无模型自适应路径跟踪控制
付少波, 关夏威, 张昊
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0120
摘要:
面向自主水下航行器(AUV)精准回收的任务需求, 针对AUV运动中模型不确定性、易受环境干扰导致的路径跟踪精度不足的问题, 从无模型控制的角度出发, 提出了一种适用于AUV的基于自抗扰理论的无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法。该算法针对2阶系统模型特性, 结合视线角制导重新设计控制输入准则函数对无模型自适应控制(MFAC)进行了改进, 解决了MFAC只适用于自衡系统的问题。引入跟踪微分器对期望信号进行指令平滑, 考虑未知复合干扰的影响设计了线性扩张状态观测器, 并在控制器中对估计扰动进行补偿, 并证明了所提控制器的稳定性, 提升了系统鲁棒性。在同样的干扰情况下, 文中控制方案相比传统比例-积分-微分控制器(PID)抗干扰能力提升了42.37%, 控制精度提高了45%, 表明ADRC-MFAC能够明显改善AUV的抗干扰性能, 提高路径跟踪精度。 面向自主水下航行器(AUV)精准回收的任务需求, 针对AUV运动中模型不确定性、易受环境干扰导致的路径跟踪精度不足的问题, 从无模型控制的角度出发, 提出了一种适用于AUV的基于自抗扰理论的无模型自适应控制(ADRC-MFAC)算法。该算法针对2阶系统模型特性, 结合视线角制导重新设计控制输入准则函数对无模型自适应控制(MFAC)进行了改进, 解决了MFAC只适用于自衡系统的问题。引入跟踪微分器对期望信号进行指令平滑, 考虑未知复合干扰的影响设计了线性扩张状态观测器, 并在控制器中对估计扰动进行补偿, 并证明了所提控制器的稳定性, 提升了系统鲁棒性。在同样的干扰情况下, 文中控制方案相比传统比例-积分-微分控制器(PID)抗干扰能力提升了42.37%, 控制精度提高了45%, 表明ADRC-MFAC能够明显改善AUV的抗干扰性能, 提高路径跟踪精度。
基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法
温志文, 王中, 谢彬, 蔡卫军, 张美茹
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0031
摘要:
随着未来战争对鱼雷武器装备的研制和运用提出 “数字化、智能化、敏捷性”的新要求, 为解决鱼雷在传统基于文本研制模式下所面临的总体与分系统、设计过程与生产过程存在割裂, 致使发现错误不及时, 早期验证不充分, 信息传递不完整、模型数据不一致、验证范围不完整、过程追溯不清晰等切实问题, 为缩短鱼雷研制周期, 提高研制效率和质量, 文中结合先进系统工程方法, 融合新技术, 在对MBSE国内外实践应用研究的基础上, 提出基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法, 将MBSE思想方法与鱼雷技术特点和研发流程融合集成, 构建跨阶段、跨专业和跨层级的鱼雷全生命周期MBSE技术体系, 提出鱼雷MBSE数字化应用框架及技术路线, 提炼了基于MBSE 的鱼雷数字化研制过程中需要解决的主要关键技术。该方法可为鱼雷武器装备的数字化研制实践以及全面数字化转型提供参考。 随着未来战争对鱼雷武器装备的研制和运用提出 “数字化、智能化、敏捷性”的新要求, 为解决鱼雷在传统基于文本研制模式下所面临的总体与分系统、设计过程与生产过程存在割裂, 致使发现错误不及时, 早期验证不充分, 信息传递不完整、模型数据不一致、验证范围不完整、过程追溯不清晰等切实问题, 为缩短鱼雷研制周期, 提高研制效率和质量, 文中结合先进系统工程方法, 融合新技术, 在对MBSE国内外实践应用研究的基础上, 提出基于MBSE的鱼雷武器装备数字化研制方法, 将MBSE思想方法与鱼雷技术特点和研发流程融合集成, 构建跨阶段、跨专业和跨层级的鱼雷全生命周期MBSE技术体系, 提出鱼雷MBSE数字化应用框架及技术路线, 提炼了基于MBSE 的鱼雷数字化研制过程中需要解决的主要关键技术。该方法可为鱼雷武器装备的数字化研制实践以及全面数字化转型提供参考。
可靠性仿真在鱼雷产品上的应用
王斗辉, 陈欢, 郭君, 吴斌
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030
摘要:
针对传统可靠性试验耗时长、成本高的问题, 给出了可靠性仿真的基本内容和工作流程, 针对鱼雷产品中的典型电子组件开展可靠性仿真建模、热应力和振动应力仿真分析、故障预计和可靠性评估, 以得到产品设计薄弱环节、潜在故障信息和平均首发故障时间等。分析结果表明, 可靠性仿真能够确保在鱼雷产品设计早期消除故障源, 从而提高鱼雷产品的鲁棒性和故障预测能力。 针对传统可靠性试验耗时长、成本高的问题, 给出了可靠性仿真的基本内容和工作流程, 针对鱼雷产品中的典型电子组件开展可靠性仿真建模、热应力和振动应力仿真分析、故障预计和可靠性评估, 以得到产品设计薄弱环节、潜在故障信息和平均首发故障时间等。分析结果表明, 可靠性仿真能够确保在鱼雷产品设计早期消除故障源, 从而提高鱼雷产品的鲁棒性和故障预测能力。
基于多智能体深度强化学习的无人艇集群博弈对抗研究
于长东, 刘新阳, 陈聪, 刘殿勇, 梁霄
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0159
摘要:
基于未来现代化的海上作战背景, 提出了利用多智能体深度强化学习MADDPG方案来完成无人艇群博弈对抗中的协同围捕任务。首先, 根据不同的作战模式和应用场景, 提出一种基于分布式执行的多智能体深度确定性策略梯度算法, 并对其原理进行了介绍; 其次, 模拟具体作战场景平台, 设计多智能体网络模型、奖励函数机制以及训练策略; 实验结果表明, 本文提出的方法可以有效解决面对敌方无人艇的协同围捕决策问题, 在不同作战场景下具有较高的效率, 为未来复杂作战场景下无人艇智能决策的研究提供了理论和参考价值 基于未来现代化的海上作战背景, 提出了利用多智能体深度强化学习MADDPG方案来完成无人艇群博弈对抗中的协同围捕任务。首先, 根据不同的作战模式和应用场景, 提出一种基于分布式执行的多智能体深度确定性策略梯度算法, 并对其原理进行了介绍; 其次, 模拟具体作战场景平台, 设计多智能体网络模型、奖励函数机制以及训练策略; 实验结果表明, 本文提出的方法可以有效解决面对敌方无人艇的协同围捕决策问题, 在不同作战场景下具有较高的效率, 为未来复杂作战场景下无人艇智能决策的研究提供了理论和参考价值
水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析
程顺钊, 汪俊, 梁晓锋, 王健
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085
摘要:
在多变的海洋环境中, 水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低, 提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集, 并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型, 根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性, 同时与MC方法进行对比。结果表明: 相比于MC方法, PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快, 精度更高; 运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系; 缆长增大将导致末端的不确定性增大, 且增大趋势逐渐平缓; 拖缆参数不确定性一定时, 增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时, 拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。 在多变的海洋环境中, 水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低, 提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集, 并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型, 根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性, 同时与MC方法进行对比。结果表明: 相比于MC方法, PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快, 精度更高; 运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系; 缆长增大将导致末端的不确定性增大, 且增大趋势逐渐平缓; 拖缆参数不确定性一定时, 增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时, 拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。
跨介质航行器多体分离特性分析
汪帅, 董萌, 王升
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0022
摘要:
结合计算流体力学数值仿真和动力学模型仿真对跨介质航行器水下分离舱张开特性进行了研究, 重点分析了分离舱在分离前后不同状态下所受的流体动力。分析结果表明: 1)在合适外形下, 分离舱可仅在水动力作用下完成与航行器的分离; 2)分离舱受力主要受张开角大小及张开角速度影响, 不同张开角下的分离力矩产生主要机制不同, 小张开角时分离舱张开主要依靠外表面分离区低压所产生的内外压差, 流体力矩主要依靠分离舱前段产生, 大张开角时则主要依靠水流冲击引起的法向力, 力矩主要依靠分离舱中后段产生; 3)分离舱张开角较小时分离舱所受流体阻尼力矩极大, 导致分离初始阶段分离舱难以迅速张开, 随着张开角变大, 流体阻尼力矩系数逐渐减小, 分离舱张开角速度迅速变大。因此, 在设计分离舱水下分离时, 应设计合适外形和分离方式来降低分离舱初始流体阻尼力矩。 结合计算流体力学数值仿真和动力学模型仿真对跨介质航行器水下分离舱张开特性进行了研究, 重点分析了分离舱在分离前后不同状态下所受的流体动力。分析结果表明: 1)在合适外形下, 分离舱可仅在水动力作用下完成与航行器的分离; 2)分离舱受力主要受张开角大小及张开角速度影响, 不同张开角下的分离力矩产生主要机制不同, 小张开角时分离舱张开主要依靠外表面分离区低压所产生的内外压差, 流体力矩主要依靠分离舱前段产生, 大张开角时则主要依靠水流冲击引起的法向力, 力矩主要依靠分离舱中后段产生; 3)分离舱张开角较小时分离舱所受流体阻尼力矩极大, 导致分离初始阶段分离舱难以迅速张开, 随着张开角变大, 流体阻尼力矩系数逐渐减小, 分离舱张开角速度迅速变大。因此, 在设计分离舱水下分离时, 应设计合适外形和分离方式来降低分离舱初始流体阻尼力矩。
适用于高速水下航行器的低比转速轴流推进泵设计方法
张子若, 罗凯, 秦侃
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0036
摘要:
对于水下航行器轴流泵喷水推进系统, 现有的升力法设计的高比转速轴流泵无法满足在浅水高速工况下正常工作的需求, 为解决这一问题, 提出一种针对低比转速轴流泵的设计方法。考虑所选NACA66a=0.8翼型的叶栅特性, 通过改变攻角、升力系数等参数的设计关系建立适用于高航速工况的轴流泵模型, 并运用SST-湍流模型和多重参考系模型对设计泵的流场运动情况进行仿真。结果表明: 设计工况下, 设计泵的扬程和水力效率与设计值误差均控制在8%以内, 同时测试设计泵在不同水深下的抗空化性能, 进一步探索设计泵可以工作的最小航深。 对于水下航行器轴流泵喷水推进系统, 现有的升力法设计的高比转速轴流泵无法满足在浅水高速工况下正常工作的需求, 为解决这一问题, 提出一种针对低比转速轴流泵的设计方法。考虑所选NACA66a=0.8翼型的叶栅特性, 通过改变攻角、升力系数等参数的设计关系建立适用于高航速工况的轴流泵模型, 并运用SST-湍流模型和多重参考系模型对设计泵的流场运动情况进行仿真。结果表明: 设计工况下, 设计泵的扬程和水力效率与设计值误差均控制在8%以内, 同时测试设计泵在不同水深下的抗空化性能, 进一步探索设计泵可以工作的最小航深。
幅相误差对体积阵MVDR波束形成的影响
黄燕, 焦君圣, 郭世旭, 赵鹏
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0077
摘要:
体积阵是一种由多个水听器组成的立体阵列, 能够增大潜标接收基阵的孔径, 获得较大的空间增益, 工程中多将其制作成具有收合、展开功能的阵列应用于低频吊放声呐。由于各水听器通道内器件参数、幅度增益不一致, 体积阵的每个阵元接收到的信号之间存在幅相误差。文中通过建立存在幅相误差时的双圆环体积阵模型, 从统计学角度分析了幅相误差对其协方差矩阵、最小方差无畸变(MVDR)波束形成器的输出信噪比、阵增益以及方位估计精度的影响。计算机仿真结果表明, 阵列幅相误差的存在会导致MVDR波束形成器的输出信噪比和阵增益降低; 对于相位误差而言, 当输入信噪比在−5 dB以上时, 这种影响随输入信噪比的增大越来越明显; 对于幅度误差而言, 当输入信噪比在−10 dB以上时, 幅度误差对MVDR波束形成器的输出信噪比和阵增益的影响会更显著; 并且, 相比于幅度误差, MVDR波束形成的方位估计精度对相位误差更加敏感。 体积阵是一种由多个水听器组成的立体阵列, 能够增大潜标接收基阵的孔径, 获得较大的空间增益, 工程中多将其制作成具有收合、展开功能的阵列应用于低频吊放声呐。由于各水听器通道内器件参数、幅度增益不一致, 体积阵的每个阵元接收到的信号之间存在幅相误差。文中通过建立存在幅相误差时的双圆环体积阵模型, 从统计学角度分析了幅相误差对其协方差矩阵、最小方差无畸变(MVDR)波束形成器的输出信噪比、阵增益以及方位估计精度的影响。计算机仿真结果表明, 阵列幅相误差的存在会导致MVDR波束形成器的输出信噪比和阵增益降低; 对于相位误差而言, 当输入信噪比在−5 dB以上时, 这种影响随输入信噪比的增大越来越明显; 对于幅度误差而言, 当输入信噪比在−10 dB以上时, 幅度误差对MVDR波束形成器的输出信噪比和阵增益的影响会更显著; 并且, 相比于幅度误差, MVDR波束形成的方位估计精度对相位误差更加敏感。
BELLHOP模型在水声网络仿真中的实现和应用
刘奇佩, 刘琨, 罗逸豪, 吴鑫莹, 周河宇
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0015
摘要:
随着水声技术的发展, 水声网络因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。水声信道是影响水声网络性能的重要因素之一, 其复杂特性直接影响着水声网络相关协议的前期设计和评估, 对于协议走向实际应用至关重要。有别于传统理论模型, BELLHOP水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场, 提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法, 但该方法不能直接用于网络仿真。针对此, 文中在目前主流的网络仿真平台NS3上实现了基于BELLHOP的水声信道模型, 将高斯射线模型用于水声网络仿真。对比结果表明, 该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性, 可为实际水声网络协议开发提供参考。 随着水声技术的发展, 水声网络因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。水声信道是影响水声网络性能的重要因素之一, 其复杂特性直接影响着水声网络相关协议的前期设计和评估, 对于协议走向实际应用至关重要。有别于传统理论模型, BELLHOP水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场, 提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法, 但该方法不能直接用于网络仿真。针对此, 文中在目前主流的网络仿真平台NS3上实现了基于BELLHOP的水声信道模型, 将高斯射线模型用于水声网络仿真。对比结果表明, 该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性, 可为实际水声网络协议开发提供参考。
双壳体水下滑翔机结构原理及水动力性能研究
刘健, 周广礼, 彭嘉澍, 朱猛, 李国庆, 余祖耀
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0150
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。 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。
波浪环境下无人艇的改进MFAC节能控制方法
魏佳广, 张拓圣, 辛筠炜, 李怀亮, 张西伟
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0040
摘要:
无人艇在运动过程中容易受到环境干扰的影响, 尤其在受到波浪干扰后会导致其运动控制偏离期望路径, 进而造成能量的浪费。针对波浪环境下固定参数控制器对环境适应能力较弱的问题, 将模糊控制方法与重定义无模型自适应控制方法相结合, 设计了一种模糊重定义无模型自适应控制算法, 该算法可以根据不同波浪的干扰情况自行调整控制参数; 同时, 采用视线法与模糊重定义无模型自适应控制算法对无人艇进行路径跟随控制。最后, 通过与固定参数控制方法进行对比试验, 验证了模糊重定义无模型自适应控制的有效性和节能效果。对比仿真结果, 使用可变参数的控制方法, 可以有效提高无人艇对环境的适应能力同时起到节能的效果。 无人艇在运动过程中容易受到环境干扰的影响, 尤其在受到波浪干扰后会导致其运动控制偏离期望路径, 进而造成能量的浪费。针对波浪环境下固定参数控制器对环境适应能力较弱的问题, 将模糊控制方法与重定义无模型自适应控制方法相结合, 设计了一种模糊重定义无模型自适应控制算法, 该算法可以根据不同波浪的干扰情况自行调整控制参数; 同时, 采用视线法与模糊重定义无模型自适应控制算法对无人艇进行路径跟随控制。最后, 通过与固定参数控制方法进行对比试验, 验证了模糊重定义无模型自适应控制的有效性和节能效果。对比仿真结果, 使用可变参数的控制方法, 可以有效提高无人艇对环境的适应能力同时起到节能的效果。
水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究
王瀚伟, 姜晓鹏, 罗凯, 张佳楠, 党建军, 秦侃
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
摘要:
将S-CO2循环动力系统合理应用于无人水下航行器(UUV)有助于解决现有UUV蒸汽动力循环系统尤其是针对小功率等级应用效率低的问题。为合理选型水下S-CO2系统涡轮机, 结合损失模型的一维方法获得了设计空间内的最佳几何参数, 并基于RANS方程的三维数值仿真方法验证了一维设计方法的合理性, 进一步对比分析了轴/径向涡轮机的气动性能及流动特性。结果表明, 设计工况下径向涡轮机内效率高于轴向涡轮机5.41%, 但尺寸较大, 约为轴向涡轮机的2倍; 径向涡轮机的主要损失在喷管和转子非工作段, 而轴向涡轮机则主要集中在转子处产生的二次流损失。通过变工况分析发现, 轴向涡轮机更适用于低速比工况, 但在同一转速下径向涡轮机效率更高。文中研究结果可为应用于UUV的S-CO2系统动力主机的研制提供参考。 将S-CO2循环动力系统合理应用于无人水下航行器(UUV)有助于解决现有UUV蒸汽动力循环系统尤其是针对小功率等级应用效率低的问题。为合理选型水下S-CO2系统涡轮机, 结合损失模型的一维方法获得了设计空间内的最佳几何参数, 并基于RANS方程的三维数值仿真方法验证了一维设计方法的合理性, 进一步对比分析了轴/径向涡轮机的气动性能及流动特性。结果表明, 设计工况下径向涡轮机内效率高于轴向涡轮机5.41%, 但尺寸较大, 约为轴向涡轮机的2倍; 径向涡轮机的主要损失在喷管和转子非工作段, 而轴向涡轮机则主要集中在转子处产生的二次流损失。通过变工况分析发现, 轴向涡轮机更适用于低速比工况, 但在同一转速下径向涡轮机效率更高。文中研究结果可为应用于UUV的S-CO2系统动力主机的研制提供参考。
水下爆炸冲击波数值仿真精度研究
敖启源, 卢熹, 姜智雅, 康珀阁
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098
摘要:
在水下爆炸数值模拟研究中, 网格尺寸和一次项人工粘性系数对冲击波峰值压力计算结果有较大影响。在预定计算精度条件下, 快速确定网格尺寸及人工粘性对数值计算意义重大。为此, 本文基于LS-DYNA有限元软件, 建立78 g三硝基甲苯(TNT)二维水下爆炸数值计算模型, 重点分析网格尺寸和一次项粘性系数对水下爆炸冲击波峰值压力和整体计算误差的影响规律。结果表明, 随着网格密度因子的增大计算峰值压力对网格的敏感性降低, 且网格密度较大时, 过小的一次项系数会导致计算峰值压力与经验公式值的相对误差增大。在此基础上获得20%范围内误差与网格尺寸、粘性系数之间的关系, 并构建出可用于快速确定网格尺寸和一次项人工粘性系数的误差预估模型, 通过0.2 ~5 000 kg范围内的TNT柱形装药(长径比为1)和球形装药的水下爆炸计算, 验证了预估模型的普适性, 可为二维中近场范围内的水下爆炸冲击波数值仿真计算研究提供参考。 在水下爆炸数值模拟研究中, 网格尺寸和一次项人工粘性系数对冲击波峰值压力计算结果有较大影响。在预定计算精度条件下, 快速确定网格尺寸及人工粘性对数值计算意义重大。为此, 本文基于LS-DYNA有限元软件, 建立78 g三硝基甲苯(TNT)二维水下爆炸数值计算模型, 重点分析网格尺寸和一次项粘性系数对水下爆炸冲击波峰值压力和整体计算误差的影响规律。结果表明, 随着网格密度因子的增大计算峰值压力对网格的敏感性降低, 且网格密度较大时, 过小的一次项系数会导致计算峰值压力与经验公式值的相对误差增大。在此基础上获得20%范围内误差与网格尺寸、粘性系数之间的关系, 并构建出可用于快速确定网格尺寸和一次项人工粘性系数的误差预估模型, 通过0.2 ~5 000 kg范围内的TNT柱形装药(长径比为1)和球形装药的水下爆炸计算, 验证了预估模型的普适性, 可为二维中近场范围内的水下爆炸冲击波数值仿真计算研究提供参考。
鱼类叉状尾鳍效率转捩点水动力性能研究
熊仲营, 刘越尧
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0066
摘要:
鲔科鱼类具有较高的游动速度和游动效率, 因此成为了仿生机器鱼的理想生物原型。为了研究鲔科鱼类叉状尾鳍效率转捩点的水动力特征, 针对推力和功耗的源项进行重点分析。尾鳍模型采用了相同的表面面积、展弦比和叉长。为了统一尾鳍形状的尺度, 采用扫掠角用于表征不同的叉状尾鳍平面结构。研究发现鲔科鱼类尾鳍扫掠角的增加弱化了尾鳍的有效面积, 导致了尾鳍摆动时推动流体向下游运动而受到的反作用力降低, 因此尾鳍的推进能力也会随之衰退。另外, 扫掠角的增加也引起了前缘涡强度的增加和前缘涡的发展, 从而造成了更大的涡增推力。然而, 过分增加扫掠角尽管存在功耗下降的优势, 但也引起推力和水动力效率的下降, 特别是对于高斯特劳哈尔数的情况。通过对推力的源项进行分析发现扫掠角对附加质量力和涡增推力存在相反的作用机制。 鲔科鱼类具有较高的游动速度和游动效率, 因此成为了仿生机器鱼的理想生物原型。为了研究鲔科鱼类叉状尾鳍效率转捩点的水动力特征, 针对推力和功耗的源项进行重点分析。尾鳍模型采用了相同的表面面积、展弦比和叉长。为了统一尾鳍形状的尺度, 采用扫掠角用于表征不同的叉状尾鳍平面结构。研究发现鲔科鱼类尾鳍扫掠角的增加弱化了尾鳍的有效面积, 导致了尾鳍摆动时推动流体向下游运动而受到的反作用力降低, 因此尾鳍的推进能力也会随之衰退。另外, 扫掠角的增加也引起了前缘涡强度的增加和前缘涡的发展, 从而造成了更大的涡增推力。然而, 过分增加扫掠角尽管存在功耗下降的优势, 但也引起推力和水动力效率的下降, 特别是对于高斯特劳哈尔数的情况。通过对推力的源项进行分析发现扫掠角对附加质量力和涡增推力存在相反的作用机制。
Li/SF6反应动力学基本参数及现象研究
吴浩齐, 骆政园, 白博峰
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0108
摘要:
为探究不同温度及压力条件下锂六氟化硫(Li/SF6)燃烧现象及反应动力学参数, 利用激波诱导高压热载荷激励Li/SF6燃烧实验台测量了温度范围为830 ~1 400 K, 压力范围为0.8 ~11 atm时的点火滞燃期; 利用可视化实验段探究了Li/SF6燃烧过程、基本发光现象等规律; 利用着火滞燃期与温度和压力呈现出典型的Arrhenius依赖关系, 通过多元线性回归法得出反应动力学参数。研究结果表明, Li/SF6燃烧的点火滞燃期随温度、压力的升高而减少, 发光现象随压力升高由红色孤立火核逐渐转化为白色明亮火焰, 并结合实验测定的着火滞燃期求出了指前因子A、指数因子n和活化能Ea, 为明晰燃烧特性、构建数值模拟提供了重要依据。 为探究不同温度及压力条件下锂六氟化硫(Li/SF6)燃烧现象及反应动力学参数, 利用激波诱导高压热载荷激励Li/SF6燃烧实验台测量了温度范围为830 ~1 400 K, 压力范围为0.8 ~11 atm时的点火滞燃期; 利用可视化实验段探究了Li/SF6燃烧过程、基本发光现象等规律; 利用着火滞燃期与温度和压力呈现出典型的Arrhenius依赖关系, 通过多元线性回归法得出反应动力学参数。研究结果表明, Li/SF6燃烧的点火滞燃期随温度、压力的升高而减少, 发光现象随压力升高由红色孤立火核逐渐转化为白色明亮火焰, 并结合实验测定的着火滞燃期求出了指前因子A、指数因子n和活化能Ea, 为明晰燃烧特性、构建数值模拟提供了重要依据。
利用前视和测高声呐的UUV地形跟踪动态路径生成方法
陈涛, 万首
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0047
摘要:
保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式, 其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测, 并基于探测信息在线、动态的生成跟踪路径, 以实现对地形的定高跟踪航行, 同时避免与地形发生碰撞。针对上述问题, 提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。首先, UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测, 对获得的地形探测数据进行仿射处理后, 得到具有离散特性的定高仿射数据。然后, 采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合, 生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。最后, 设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架, 实现UUV的实时地形跟踪航行任务。文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证, 证明了其有效性和可行性。 保持对海底地形的定高跟踪航行是无人水下航行器(UUV)执行海洋勘测和水下目标搜索任务时常采用的一种运动形式, 其核心是UUV如何对未知起伏的海底地形进行实时探测, 并基于探测信息在线、动态的生成跟踪路径, 以实现对地形的定高跟踪航行, 同时避免与地形发生碰撞。针对上述问题, 提出了一种基于前视声呐探测地形信息、基于多项式拟合动态生成跟踪路径的方法。首先, UUV利用前视声呐对海底地形进行实时探测, 对获得的地形探测数据进行仿射处理后, 得到具有离散特性的定高仿射数据。然后, 采用基于最小二乘准则的三次多项式方法对仿射数据进行拟合, 生成基于多项式函数描述的UUV地形跟踪航行路径。最后, 设计了一种包含声呐探测、数据仿射、路径生成和跟踪控制的动态执行框架, 实现UUV的实时地形跟踪航行任务。文中所提出的跟踪路径生成和动态执行框架通过对典型的海底“上坡”地形和“山地”地形跟踪的仿真验证, 证明了其有效性和可行性。
自导作用距离不确知下基于最大熵分布的有利提前角研究
代振, 韩庆伟, 李阳, 吴吉伟, 沈湘钟
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0102
摘要:
针对鱼雷自导作用距离不确知情况下的有利提前角解算问题, 首先分析自导作用距离对鱼雷射击的影响, 指出当鱼雷的实际自导作用距离小于其装订值时, 解算得到的有利提前角会偏小, 并会导致鱼雷的发现概率明显降低。其次定义了鱼雷的加权平均发现概率, 在此基础上提出了一种最大化加权平均发现概率的有利提前角解算方法。然后基于最大熵原理, 给出了鱼雷实际自导作用距离的2种最大熵分布模型, 得到了该分布模型下的有利提前角求解公式。最后通过仿真得到了鱼雷自导作用距离不确知情况下的有利提前角。 针对鱼雷自导作用距离不确知情况下的有利提前角解算问题, 首先分析自导作用距离对鱼雷射击的影响, 指出当鱼雷的实际自导作用距离小于其装订值时, 解算得到的有利提前角会偏小, 并会导致鱼雷的发现概率明显降低。其次定义了鱼雷的加权平均发现概率, 在此基础上提出了一种最大化加权平均发现概率的有利提前角解算方法。然后基于最大熵原理, 给出了鱼雷实际自导作用距离的2种最大熵分布模型, 得到了该分布模型下的有利提前角求解公式。最后通过仿真得到了鱼雷自导作用距离不确知情况下的有利提前角。
仿生机器蝠鲼动力学建模及试验研究
陈国军, 林羊龙, 金俊, 陈巍, 杨雪
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107
摘要:
仿生蝠鲼机器鱼独特的胸鳍摆动推进方式更适合风浪干扰环境下长航时水下作业需求, 国内外已经开展了相关研究, 但目前仿生机器蝠鲼研究中存在驱动能力弱, 控制精度低, 仿生效果差等问题。文中以蝠鲼为仿生原型, 分析其生物学特性和运动机理, 构建运动学模型和动力学模型, 为仿生机器蝠鲼的系统设计提供了理论依据, 设计了机械结构和控制系统, 通过模拟波浪干扰环境下的直线前游、原地转弯和动态沉浮等试验, 测试了仿生机器蝠鲼在复杂环境下的性能, 验证了仿生机器蝠鲼的运动性能和应用前景。 仿生蝠鲼机器鱼独特的胸鳍摆动推进方式更适合风浪干扰环境下长航时水下作业需求, 国内外已经开展了相关研究, 但目前仿生机器蝠鲼研究中存在驱动能力弱, 控制精度低, 仿生效果差等问题。文中以蝠鲼为仿生原型, 分析其生物学特性和运动机理, 构建运动学模型和动力学模型, 为仿生机器蝠鲼的系统设计提供了理论依据, 设计了机械结构和控制系统, 通过模拟波浪干扰环境下的直线前游、原地转弯和动态沉浮等试验, 测试了仿生机器蝠鲼在复杂环境下的性能, 验证了仿生机器蝠鲼的运动性能和应用前景。
仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能的胸鳍结构设计与实验
李博, 余应明, 曹永辉, 郝艺伟, 潘光, 曹勇
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157
摘要:
现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点特别是前向游动稳定性, 但倒游性能研究不足, 因此文中针对性讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能; 设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构等2种胸鳍机构, 通过对比实验测试验证分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性, 通过推力和电流的比值(\begin{document}${\text{|}}{{\boldsymbol{F}}_{\boldsymbol{x}}}|$\end{document}/\begin{document}${{I}}$\end{document})进一步分析能耗转化效率。实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系, 并且通过采集的电流数据, 整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线; 分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。实验结果表明, 从推力的角度, 在前游工况下, 2种胸鳍推力值接近; 在倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力增加明显, 最大可达0.22 N; 从推力等效效率角度, 在前游工况下, 分体胸鳍结构较完整胸鳍稍差; 在倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。 现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点特别是前向游动稳定性, 但倒游性能研究不足, 因此文中针对性讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能; 设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构等2种胸鳍机构, 通过对比实验测试验证分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性, 通过推力和电流的比值(${\text{|}}{{\boldsymbol{F}}_{\boldsymbol{x}}}|$/${{I}}$)进一步分析能耗转化效率。实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系, 并且通过采集的电流数据, 整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线; 分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。实验结果表明, 从推力的角度, 在前游工况下, 2种胸鳍推力值接近; 在倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力增加明显, 最大可达0.22 N; 从推力等效效率角度, 在前游工况下, 分体胸鳍结构较完整胸鳍稍差; 在倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。
基于模糊滑模的直驱式波浪发电装置最大功率控制研究
范新宇, 孟昊
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
摘要:
海洋波浪能是一种新型清洁能源, 为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率, 针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题, 提出基于模糊滑模的最大功率控制方法, 根据运行状态实时调整趋近律参数, 在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波, 减小跟踪误差, 提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机作为发电装置, 建立系统动力学模型, 并通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)方法预估不规则波浪主频, 设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线; 在此基础上, 将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比, 结果表明: 模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。 海洋波浪能是一种新型清洁能源, 为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率, 针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题, 提出基于模糊滑模的最大功率控制方法, 根据运行状态实时调整趋近律参数, 在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波, 减小跟踪误差, 提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机作为发电装置, 建立系统动力学模型, 并通过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation, FFT)方法预估不规则波浪主频, 设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线; 在此基础上, 将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比, 结果表明: 模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。
基于RBF神经网络补偿的ROV运动控制算法
张帅军, 刘卫东, 李乐, 柳靖彬, 郭利伟, 徐景明
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0033
摘要:
针对遥控无人潜水器(ROV)在模型参数不确定和外部环境干扰下的运动控制问题, 提出了一种基于径向基函数神经网络的自适应双环滑模控制策略。首先, 对于ROV外环位置控制采用改进趋近律的积分滑模控制方法, 对于ROV内环速度控制采用指数趋近率的积分滑模控制方法; 其次, 为进一步改善滑模控制的抖振问题, 引入双曲正切函数作为滑模切换项; 然后, 利用径向基函数神经网络控制技术对ROV模型的不确定参数和外部扰动进行估计与补偿; 最后, 利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性, 并对作业型ROV的运动控制进行了数值仿真。仿真结果验证了所设计的控制器可以实现ROV航行的精确控制, 并能够有效抑制模型不确定参数和外部扰动对ROV运动的影响。 针对遥控无人潜水器(ROV)在模型参数不确定和外部环境干扰下的运动控制问题, 提出了一种基于径向基函数神经网络的自适应双环滑模控制策略。首先, 对于ROV外环位置控制采用改进趋近律的积分滑模控制方法, 对于ROV内环速度控制采用指数趋近率的积分滑模控制方法; 其次, 为进一步改善滑模控制的抖振问题, 引入双曲正切函数作为滑模切换项; 然后, 利用径向基函数神经网络控制技术对ROV模型的不确定参数和外部扰动进行估计与补偿; 最后, 利用李雅普诺夫稳定性理论证明了整个闭环系统的稳定性, 并对作业型ROV的运动控制进行了数值仿真。仿真结果验证了所设计的控制器可以实现ROV航行的精确控制, 并能够有效抑制模型不确定参数和外部扰动对ROV运动的影响。
水下声学滑翔器探测通信系统近海试验研究
田德艳, 张小川, 张文清, 孙芹东, 王超
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0020
摘要:
针对水下声学滑翔器在水下执行观探测任务过程中, 需等待当前剖面滑翔结束上浮至水面进行信息交互, 无法实时回传数据信息的问题。文中提出一种水下声学滑翔器探测通信系统, 利用水声通信技术将水下声学滑翔器探测的数据信息发送给水面波浪能滑翔器, 其作为通信中继可将数据信息透明转发至岸基中心, 从而实现近似实时的探测通信数据传输。文中介绍了水下声学滑翔器探测通信系统结构组成和信息传输链路, 着重介绍了水下声学滑翔器的探测通信青岛外海试验情况, 并对试验数据进行处理分析。试验验证了水下声学滑翔器探测通信系统的正确性和可行性, 为后续国内水下无人平台集群协作及编队组网应用提供参考。 针对水下声学滑翔器在水下执行观探测任务过程中, 需等待当前剖面滑翔结束上浮至水面进行信息交互, 无法实时回传数据信息的问题。文中提出一种水下声学滑翔器探测通信系统, 利用水声通信技术将水下声学滑翔器探测的数据信息发送给水面波浪能滑翔器, 其作为通信中继可将数据信息透明转发至岸基中心, 从而实现近似实时的探测通信数据传输。文中介绍了水下声学滑翔器探测通信系统结构组成和信息传输链路, 着重介绍了水下声学滑翔器的探测通信青岛外海试验情况, 并对试验数据进行处理分析。试验验证了水下声学滑翔器探测通信系统的正确性和可行性, 为后续国内水下无人平台集群协作及编队组网应用提供参考。
水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计
王洁茹, 李崇, 綦声波, 赵圆圆
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042
摘要:
针对现有水下滑翔机模型非线性程度及维度过高和难以设计有效的工程化控制器的问题, 首先根据水下滑翔机的运动机构组成及工作原理, 忽略建模过程中的次要影响因素, 对水下滑翔机进行轻量化建模以降低模型非线性度及复杂度, 并通过对比验证证明了轻量化模型的有效性。随后, 针对纵垂面运动进一步精简动力学方程, 发挥该模型维度低、计算量小的优点, 引入状态和控制量的实际约束, 设计了贴合实际的实时线性化模型预测姿态控制算法。数值仿真结果证明, 在±17.4°和±22.5°两种水下滑翔机常见工况下, 所提出的基于轻量化模型的控制算法可有效快速追踪期望姿态, 且上升时间和稳态调节时间均比传统控制器提高70%以上。 针对现有水下滑翔机模型非线性程度及维度过高和难以设计有效的工程化控制器的问题, 首先根据水下滑翔机的运动机构组成及工作原理, 忽略建模过程中的次要影响因素, 对水下滑翔机进行轻量化建模以降低模型非线性度及复杂度, 并通过对比验证证明了轻量化模型的有效性。随后, 针对纵垂面运动进一步精简动力学方程, 发挥该模型维度低、计算量小的优点, 引入状态和控制量的实际约束, 设计了贴合实际的实时线性化模型预测姿态控制算法。数值仿真结果证明, 在±17.4°和±22.5°两种水下滑翔机常见工况下, 所提出的基于轻量化模型的控制算法可有效快速追踪期望姿态, 且上升时间和稳态调节时间均比传统控制器提高70%以上。
水下航行器视觉控制技术综述
高剑, 何耀祯, 陈依民, 张元旭, 杨旭博, 李宇丰, 张桢驰
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0061
摘要:
视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式, 文中将该技术应用于水下航行器控制, 并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景, 主要对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍, 并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下作业任务目标抓取等三个任务场景对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析, 最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。 视觉控制是通过视觉信息进行环境和自身状态感知的一种控制方式, 文中将该技术应用于水下航行器控制, 并对不同应用场景下的相关研究进展、难点与趋势进行分析。首先介绍水下航行器视觉控制技术发展现状与任务场景, 主要对水下图像增强、目标识别与位姿估计技术进行介绍, 并从水下视觉动力定位与目标跟踪、水下航行器对接及水下作业任务目标抓取等三个任务场景对水下航行器视觉控制技术发展现状进行总结和分析, 最后梳理了水下航行器视觉控制技术的难点与发展趋势。
输入饱和下的AUV自适应神经网络预设性能控制
徐文峰, 刘加朋, 于金鹏, 韩亚宁
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0041
摘要:
针对自主水下航行器(AUV)系统不确定性及输入饱和问题, 提出了一种改进的自适应神经网络预设性能控制策略, 完成对期望轨迹的跟踪。首先, 引入非线性变换, 使位置误差始终处在预设时变范围内, 提高了控制精度, 并基于反步法和Lyapunov函数设计系统虚拟控制律; 然后, 利用神经网络技术处理系统模型未知参数, 并重构系统真实控制律, 使传统反步控制策略得以简化, 有效降低了计算复杂度, 并在Lyapunov稳定性理论的基础上, 证明了AUV系统的误差信号均有界; 最后, 与传统动态面控制方法进行对比, 仿真结果表明所提出的控制策略控制性能更好, 在考虑输入饱和情况下可有效克服不确定性对系统性能的影响, 实现对目标轨迹的有效跟踪。 针对自主水下航行器(AUV)系统不确定性及输入饱和问题, 提出了一种改进的自适应神经网络预设性能控制策略, 完成对期望轨迹的跟踪。首先, 引入非线性变换, 使位置误差始终处在预设时变范围内, 提高了控制精度, 并基于反步法和Lyapunov函数设计系统虚拟控制律; 然后, 利用神经网络技术处理系统模型未知参数, 并重构系统真实控制律, 使传统反步控制策略得以简化, 有效降低了计算复杂度, 并在Lyapunov稳定性理论的基础上, 证明了AUV系统的误差信号均有界; 最后, 与传统动态面控制方法进行对比, 仿真结果表明所提出的控制策略控制性能更好, 在考虑输入饱和情况下可有效克服不确定性对系统性能的影响, 实现对目标轨迹的有效跟踪。
基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真
马玉印, 王岩峰, 官晟, 王娜, 丁军航
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086
摘要:
近年来, 水下滑翔机已广泛应用于各种海洋现象的观测, 但在对黑潮等强流进行观测时, 其运动轨迹往往会受到严重影响, 因此针对黑潮流域内水下滑翔机的运动轨迹控制问题进行研究。首先, 以“海燕-II”为研究对象, 根据动量和动量矩定理建立了其考虑黑潮的动力学模型; 然后将HYCOM黑潮区域数据作为干扰, 其特点是黑潮流速的大小与方向都会随着位置的变化而改变, 并利用Simulink对强流影响下的海燕II运动轨迹进行了仿真; 最后, 将RBF神经网络与常规PID控制器相结合, 来对海燕II的偏航运动与纵倾运动进行控制。仿真结果表明RBF-PID控制器可以在一定程度上提高海燕II在黑潮区域中运动时的跟踪精度, 增强海燕II抵抗黑潮干扰的能力。可为在强流影响下的水下滑翔机轨迹控制提供一定的参考依据。 近年来, 水下滑翔机已广泛应用于各种海洋现象的观测, 但在对黑潮等强流进行观测时, 其运动轨迹往往会受到严重影响, 因此针对黑潮流域内水下滑翔机的运动轨迹控制问题进行研究。首先, 以“海燕-II”为研究对象, 根据动量和动量矩定理建立了其考虑黑潮的动力学模型; 然后将HYCOM黑潮区域数据作为干扰, 其特点是黑潮流速的大小与方向都会随着位置的变化而改变, 并利用Simulink对强流影响下的海燕II运动轨迹进行了仿真; 最后, 将RBF神经网络与常规PID控制器相结合, 来对海燕II的偏航运动与纵倾运动进行控制。仿真结果表明RBF-PID控制器可以在一定程度上提高海燕II在黑潮区域中运动时的跟踪精度, 增强海燕II抵抗黑潮干扰的能力。可为在强流影响下的水下滑翔机轨迹控制提供一定的参考依据。
基于通信载荷声纹特征的身份认证方法
陈露, 赵德鑫, 王俊, 高虹, 陈迎亮
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0027
摘要:
水声通信网络安全是水下通信进行信息共享和协同作业的重要保障, 现有技术主要研究认证协议和数据加密, 注重提高网络的安全性, 忽略了网络的效率和能耗问题。为避免上述方法带来的网络拥堵, 受移动智能设备等领域研究启发, 提出将声纹认证融入水下通信网络的身份认证系统, 设计了一种基于通信载荷声纹特征的识别方法。利用注意力机制, 融合非线性倒谱和相位谱特征, 以降低复杂海洋环境噪声的影响, 并通过AlexNet网络进行目标身份识别。为验证该方法的有效性, 通过采集多种水声通信信号, 检验文中声纹特征识别的差异性和有效性, 论证了文中方法的可行性和可靠性。文中研究可为解决水声通信网络的身份认证问题提供新思路, 对增强水声通信网络的安全、实现高质量的信息共享和高效率的协同控制提供一定参考。 水声通信网络安全是水下通信进行信息共享和协同作业的重要保障, 现有技术主要研究认证协议和数据加密, 注重提高网络的安全性, 忽略了网络的效率和能耗问题。为避免上述方法带来的网络拥堵, 受移动智能设备等领域研究启发, 提出将声纹认证融入水下通信网络的身份认证系统, 设计了一种基于通信载荷声纹特征的识别方法。利用注意力机制, 融合非线性倒谱和相位谱特征, 以降低复杂海洋环境噪声的影响, 并通过AlexNet网络进行目标身份识别。为验证该方法的有效性, 通过采集多种水声通信信号, 检验文中声纹特征识别的差异性和有效性, 论证了文中方法的可行性和可靠性。文中研究可为解决水声通信网络的身份认证问题提供新思路, 对增强水声通信网络的安全、实现高质量的信息共享和高效率的协同控制提供一定参考。
深潜救生艇用电池应用现状与发展趋势
何巍巍, 张伟, 谢飞, 马岭, 程斐
, doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0052
摘要:
潜艇具有极强的作战能力和威慑力量, 在战争中具有不可替代的作用, 受到了各国的高度重视。但潜艇的作战特点也决定了其一旦发生事故, 救援难度会非常大。在各型援潜救生装备中, 深潜救生艇(DSRV)具有操作灵活、救援人数多等优点, 是一种非常高效的援潜救生技术, 因此, 各国海军研制了多型DSEV用于潜艇的失事救援。DSRV在水下主要依靠电池提供能源, 电池的性能也在一定程度上决定了DSRV的性能。本文主要对全球各型DSRV用电池的应用情况进行了概述, 对当前DSRV电池技术的应用现状、关键技术、研究基础等进行了分析, 并对DSRV用电池技术的未来发展趋势进行了展望, 以期为今后DSRV用电池的研制提供借鉴。 潜艇具有极强的作战能力和威慑力量, 在战争中具有不可替代的作用, 受到了各国的高度重视。但潜艇的作战特点也决定了其一旦发生事故, 救援难度会非常大。在各型援潜救生装备中, 深潜救生艇(DSRV)具有操作灵活、救援人数多等优点, 是一种非常高效的援潜救生技术, 因此, 各国海军研制了多型DSEV用于潜艇的失事救援。DSRV在水下主要依靠电池提供能源, 电池的性能也在一定程度上决定了DSRV的性能。本文主要对全球各型DSRV用电池的应用情况进行了概述, 对当前DSRV电池技术的应用现状、关键技术、研究基础等进行了分析, 并对DSRV用电池技术的未来发展趋势进行了展望, 以期为今后DSRV用电池的研制提供借鉴。
服务号
订阅号