水下无人系统学报

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孙铁志, 王世晟, 谢勃汉, 许昊

2023, 31(3): 349-364. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0008

[摘要](159) [HTML全文] (43) [PDF 2969KB](58)

摘要:
超空泡技术能够减小航行体阻力、提高航速, 是水下高速航行体的关键技术之一。文中对国内外水下超空泡数值计算研究状况进行了综述, 介绍了水下超空泡数值计算方法, 主要包括理论模型求解方法及数值仿真方法。其中理论模型求解方法从势流理论出发, 分别发展了主要针对二维水翼的自由流线理论、线性理论及可进行三维超空泡形状计算的独立膨胀原理。目前大部分超空泡数值仿真基于计算流体动力学有限体积法。其中多相流和湍流模型对仿真结果影响显著, 通过结合空化、声学模型等, 能够突破势流理论的限制, 在考虑多相流、传质以及黏性情况下进行不同构形水下航行体超空泡流动及载荷预报。文中同时基于超空泡计算的自然空化数、通气参数、来流条件和几何构型4个典型影响因素, 介绍了数值计算研究的相关进展, 这些影响因素的变化均会改变超空泡整体形态, 其中通气参数和来流条件还会影响超空泡尾部闭合模式。

自由液面对NACA0012翼型流体动力特性影响研究

刘钊, 黄闯, 杨昊, 贺旭, 党建军

2023, 31(3): 365-372. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202205010

[摘要](115) [HTML全文] (21) [PDF 1670KB](28)

摘要:
跨介质航行器在跨越水空介质运动时, 自由液面对航行器机翼有较大的影响, 为总体设计和航行控制带来挑战。为了探究机翼从空中和水下远场接近自由液面过程的流体动力特性变化, 以NACA0012翼型为例, 采用计算流体动力学方法, 基于流体体积多相流模型建立机翼从空中和水下接近自由液面的流场数值仿真模型, 验证了模型的可行性, 研究了机翼工作在自由液面附近时的流体动力特性。结果表明: 机翼以正攻角从空中远场接近自由液面的过程中, 阻力系数逐渐减小, 升力系数和升阻比都逐渐增大; 机翼从水下远场接近自由液面的过程中, 升力系数和升阻比均逐渐减小, 当距离超过10倍弦长时, 阻力系数因兴波作用逐渐增大, 当距离小于10倍弦长时阻力系数则迅速减小。研究结果可为跨介质航行器的总体设计和航行控制提供参考。

一种面向无人水下航行器的多普勒自主导航方法

刘沛佳, 秦丽萍, 李广华, 侯冬冬, 朱政宇

2023, 31(3): 373-380. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204006

[摘要](182) [HTML全文] (20) [PDF 1832KB](60)

摘要:
针对无人水下航行器自主导航需求, 文中设计由多普勒计程仪(DVL)、深度计、电子罗盘(ECP)和低成本惯性量测单元(IMU)组成的航位推算导航系统, 提出一种DVL自主导航方法。该方法通过传感器一体化集成克服安装误差和时间异步问题, 采用ECP/IMU融合方案获取高频姿态参数, 在此基础上, 制定DVL异常数据处理、高动态误差修正以及全球导航卫星系统辅助策略。所提出的方法在“海为一号”自主水下航行器上得到应用, 试验结果表明自主导航定位精度约为航程的1.5%(圆概率误差), 可以为相关研究和应用提供参考。

基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制参数整定方法

陈明志, 刘兰军, 陈家林, 杨睿, 黎明

2023, 31(3): 381-387. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112022

[摘要](67) [HTML全文] (12) [PDF 1976KB](19)

摘要:
高速无人艇(USV)舵向控制要求同时满足调节时间短、超调量小, 针对USV舵向比例积分微分(PID)控制的参数整定需求, 将混合均值中心反向学习粒子群优化(HCOPSO)算法与PID控制结合, 提出一种基于HCOPSO算法的USV舵向PID控制器参数整定方法。利用HCOPSO对PID控制器参数进行寻优, 有效解决寻优过程的局部最优解问题。对比研究了粒子群(PSO)算法、线性惯性权重递减粒子群(LDIWPSO)算法、HCOPSO算法的PID控制器参数整定效果, 结果表明, HCOPSO算法参数整定的USV舵向PID控制器具有更好的控制效果, 相比于PSO、LDIWPSO, 调节时间分别缩短22%、15%, 超调量分别降低89%、74%, 迭代次数分别减少40%、30%。基于研制的“久航750”USV开展了海洋环境测试, 测试结果表明了文中设计方法应用于小型高速USV舵向控制的有效性。

EKF 和 UKF 算法在双观测站纯方位目标跟踪中的应用

成春彦, 李亚安

2023, 31(3): 388-397. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202203014

[摘要](1011) [HTML全文] (15) [PDF 2635KB](46)

摘要:
为了对水下运动目标进行实时跟踪, 以静止双观测站纯方位跟踪系统为研究对象, 分别结合扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和无迹卡尔曼滤波(UKF)算法的原理, 对基于EKF和UKF算法的双观测站纯方位跟踪系统进行了仿真分析及比较。结果表明, 基于2种算法的双观测站纯方位系统都能适用于水下运动目标实时跟踪, 但后者具有更快的收敛速度和更好的鲁棒性。同时, 分别分析了双站距离和方位角量测误差对实时跟踪效果的影响, 仿真结果表明, 2个观测站距离过近或过远都会降低目标跟踪的效果, 基于EKF和UKF算法的双观测站系统在两站距离800 m时都能得到较满意的跟踪效果; 随着方位角量测误差的增大, 基于2种算法的双观测站系统的跟踪性能都会下降, 但UKF算法在EKF算法跟踪失效时仍然具有较好的跟踪性能。

基于深平均流预测模型的水下滑翔机路径优化

刘强, 边刚, 张胜军, 戴仁威

2023, 31(3): 398-404. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204016

[摘要](97) [HTML全文] (12) [PDF 1232KB](28)

摘要:
随着水下滑翔机在海洋调查及声学探测领域的广泛运用, 精准、高效控制其路径对精细化海洋观测至关重要。针对水下滑翔机受海流影响产生较大偏航差问题, 采用最小二乘支持向量机法(LSSVM)预测深平均流, 以单剖面偏航差最小为目标函数, 以实际航向与计划航向夹角不超过一定值为约束条件, 构建非线性约束极值模型, 确定预设剖面最优目标航向及出水点坐标, 从而实现路径优化目的。采用“海燕-II”型水下滑翔机历史数据进行验证, 结果表明: 1) LSSVM法预测深平均流准确性较高, 但当局部流向有明显变化时预测效果不佳, 取前3个剖面数据作为训练样本时预测效果更好; 2) 采用文中方法优化后, 水下滑翔机路径更稳定, 各剖面偏航差平均为281.1 m。

基于分布式模型预测控制的欠驱动AUV编队控制

郭渊博, 李琦, 闵博旭, 高剑, 陈依民

2023, 31(3): 405-412. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204018

[摘要](241) [HTML全文] (142) [PDF 2057KB](98)

摘要:
分布式模型预测控制(DMPC)相较于集中式模型预测控制具有更低的计算量、更强的容错性和鲁棒性, 被广泛应用于多智能体编队控制。文中提出了一种基于DMPC的欠驱动自主水下航行器(AUV)编队控制方法, 基于局部邻居信息为各AUV控制器构建预测控制的代价函数和约束条件, 通过优化算法求解一定时域内的最优控制输入。同时, 针对编队系统可能存在的障碍物避碰问题和通信时延问题, 分别设计了基于距离和相对视线差的避障方法, 以及在接收到所有邻居信息后再求解的等待机制。仿真结果表明, 采用文中方法, 多航行器编队能够在障碍及通信时延条件下保持队形稳定。

基于自适应干扰观测器的水下机器人-机械臂系统反步控制

侯冬冬, 都军民, 秦丽萍, 王凯, 经慧祥, 李广华

2023, 31(3): 413-420. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0011

[摘要](200) [HTML全文] (25) [PDF 2013KB](49)

摘要:
针对水下机器人-机械臂系统的强耦合、建模不确定性和环境扰动复杂的特点, 提出了一种自适应干扰观测器的反步控制方法。将海洋多源干扰用线性外系统描述, 设计自适应观测器进行估计。针对实际驱动器存在的输入饱和问题, 设计了辅助动力系统。在此基础上, 进一步设计了反步控制器, 并通过李雅普诺夫理论分析了闭环跟踪系统的有界稳定性。最后通过2 关节水下机器人-机械臂系统进行仿真验证, 结果表明与传统的比例积分微分控制相比, 文中方法能够更好地使机器人-机械臂系统跟踪预定轨迹, 且具有更好的抗干扰能力。

基于深度学习的AUV水下视觉导引检测方法

安平, 王亭亭, 赵渊, 胡宁

2023, 31(3): 421-429. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202205006

[摘要](139) [HTML全文] (201) [PDF 4156KB](60)

摘要:
自主水下航行器(AUV)自主对接与回收技术主要通过导引定位的方式实现AUV与对接装置的自主归航、接近、对接及锁紧等动作。为满足AUV水下自主对接过程中实时性、高精确性和鲁棒性等要求, 提出一种基于深度学习的水下视觉导引检测方法。针对复杂水下场景下传统图像处理方法检测效果不佳的问题, 使用基于YOLOv5的深度学习视觉导引检测方法对导引光源以及对接装置进行检测。首先, 将目标图像数据接入YOLOv5模型进行迭代训练, 将训练得到的最优模型参数保存用于后续实时检测; 然后, 在水下自主对接过程中, AUV使用机器人操作系统平台实时读取水下数据并调用YOLO服务对水下图像进行检测, 输出导引光源以及对接装置位置信息; 同时通过位置解算, 将检测得到的中心点坐标转化到AUV相机坐标系下; 最后将解算得到的AUV与对接装置的相对位置与AUV的航行方向持续反馈给AUV, 进行引导直至对接完成。在海试中对水下视觉导引的实际检测准确率为97.9%, 检测单帧耗时为45 ms, 试验结果表明该方法满足自主对接与回收技术中对水下对接精度及实时性要求, 具有实际应用价值。

一种基于DTW算法的磁场相似性度量方法

胡家文, 刘忠乐, 文无敌, 张志强

2023, 31(3): 430-435. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202204017

[摘要](65) [HTML全文] (13) [PDF 1880KB](17)

摘要:
在舰船磁场模拟及磁探测系统的目标识别中, 需要对模拟或探测磁场与真实目标磁场分布的相似程度进行评估。文中针对以往评估方法存在的问题, 提出利用动态时间规整(DTW)算法计算磁场的相似度, 解决了目标速度不同和起止点不一致情况下的磁场曲线相似度评估问题; 为降低磁场曲线局部扰动带来的影响, 利用最长公共子串对DTW算法进行了优化, 提高了相似度计算精度; 最后以模型试验验证了算法的正确性。与传统评估方法相比, 该方法无需人工预先设置参数, 能直接给出相似度评价结果, 可应用于舰船磁场模拟效果评估及磁探测系统的目标识别。

潜艇声诱饵防御声自导鱼雷改进PSO算法

侯文姝, 陆铭华

2023, 31(3): 436-441. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202205001

[摘要](68) [HTML全文] (12) [PDF 1072KB](22)

摘要:
潜艇使用单个小口径自航式声诱饵防御正在进行蛇形搜索的声自导鱼雷时, 应快速得出防御方案使鱼雷与潜艇距离最大化。通过分析种群粒子数、迭代次数、粒子速度的上限、加速度因子和种群初始化方法等因素对基于并行计算的粒子群优化(PSO)算法的影响, 确定该算法的改进方向。改进的PSO算法通过扩大粒子速度的上限以及在迭代过程中重新生成粒子群, 适应度值大于7 500 m的仿真次数比改进前提高了95%, 且在不增加计算量的情况下收敛得更快, 达到提升解算效率的目的。

鱼雷燃烧室气-液-固三相耦合换热数值仿真

陈肯, 冯要飞, 宗潇, 伊进宝, 肖炎彬, 史小锋

2023, 31(3): 442-450. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0004

[摘要](101) [HTML全文] (20) [PDF 4619KB](23)

摘要:
为了提高鱼雷燃烧室的冷却换热性能, 文中基于热流固耦合数值计算方法, 开展了鱼雷燃烧室内气-液-固三相冷却换热过程数值仿真, 得到了燃烧室在2种不同冷却水流道结构下的流场分布情况, 并对不同流道结构下的冷却换热性能进行了分析。研究结果表明, 随着冷却区域底部流道数量的增加, 冷却区域底部湍流强度减弱, 局部高温区变小; 随着冷却区域出口流道数量的增加, 出口处的湍流、漩涡及局部高温区逐渐消失, 冷却区域底部由水流对冲而产生的截流现象消失; 增加流道数量的方式使换热效率提升, 且增加底部流道数量的方式对换热效率的提升效果更明显; 通过增加燃烧室流道数量使冷却换热功率提升了约8.5%, 壳体的最高温度降低了11 K。文中的研究结果可对鱼雷燃烧室冷却结构的设计及改进提供参考。

水面舰艇对来袭鱼雷联合定位方法

张虹, 肖明恺

2023, 31(3): 451-456. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0019

[摘要](84) [HTML全文] (21) [PDF 1218KB](34)

摘要:
针对传统舰载声呐以及拖曳阵声呐在进行鱼雷预警时缺失鱼雷距离、位置信息, 导致鱼雷防御器材效能较低的问题, 开展了水面舰艇对来袭鱼雷联合定位方法研究。针对来袭鱼雷方位估计信息误差大、存在野值等问题, 提出基于局部加权线性回归的测向信息预处理方法, 降低了目标方位估计精度不足引入的定位误差, 结合典型鱼雷攻击弹道运动特性, 利用卡尔曼滤波算法, 建立了目标状态解算模型。同时针对水声信号收发不同时、信号处理延迟等问题, 提出时空关联算法, 形成稳健声呐联合定位算法。该方法在增强舰船联合作战指挥系统的鱼雷防御能力, 维护舰艇安全等方面具有广泛的应用前景。

海底掩埋缆探挂装置设计与试验

宋强, 许可, 姚明超, 王瑞, 罗升

2023, 31(3): 457-462, 480. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202206006

[摘要](75) [HTML全文] (18) [PDF 3373KB](22)

摘要:
针对海底掩埋缆服役寿命到期更换或意外发生中断需维修等问题, 文中设计了一种海底掩埋缆探挂装置, 该装置可用于挂钩海底掩埋缆, 并对掩埋缆起到标记作用, 便于水下作业工具后续对其进行检修和修复。针对该探挂装置搭建试验台架并进行试验研究。利用集成位移传感器和压力传感器采集探挂装置反馈信号, 基于试验数据形成海底掩埋缆探挂信息作业窗口图, 用于指导判断探挂装置对海底掩埋缆挂钩标记是否成功。该研究成果可为水下作业工具的设计和应用提供重要的技术支持和试验依据。

超空泡鱼雷双雷齐射命中概率解析方法

谢超, 周景军, 万亚民, 宋书龙, 王梦豪

2023, 31(3): 463-473. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112018

[摘要](89) [HTML全文] (11) [PDF 1741KB](27)

摘要:
双雷平行航向齐射, 是直航鱼雷提高命中概率的有效手段之一。文中建立了超空泡鱼雷双雷齐射模型, 并根据命中方程将齐射两雷一次转角射击等效为直进射击, 明确了鱼雷命中目标的实质, 即鱼雷末弹道相对速度方向与等效初始目标方位角方向重合, 使得齐射问题得以简化。根据鱼雷直进射击规律, 以脱靶量作为命中指标、以目标水线面形状作为命中范围建立双雷齐射命中概率解析模型, 并考虑诸如平台探测误差、鱼雷航行误差和目标航行误差影响, 利用统计方法作为对比试验, 试验结果表明解析计算模型与统计计算模型结果相吻合, 验证了解析模型的正确性。最后分析了各误差源灵敏度, 明确了提高鱼雷航向控制精度和方位探测精度是提升命中概率的有效途径。

基于NSGA-Ⅲ的UUV集群打击任务分配模型

吴思聪, 吴曦

2023, 31(3): 474-480. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0023

[摘要](106) [HTML全文] (93) [PDF 1956KB](37)

摘要:
无人水下航行器(UUV)集群将成为未来水下作战的重要力量, UUV集群的打击任务分配问题是UUV运用过程中的关键问题之一, 可以看作为一个武器-目标分配问题, 也是一个多约束多目标优化问题。因此, 考虑UUV对敌舰探测概率、载弹量、弹药成本、杀伤概率和目标价值, 以及UUV对鱼雷的拦截概率等因素, 建立打击收益和弹药消耗成本2个目标函数, 构建了UUV集群打击任务分配模型。引入多目标优化算法——第3代非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅲ)对该模型进行求解, 分析了编码策略、约束处理方法以及NSGA-Ⅲ的流程和关键步骤。仿真结果表明，与NSGA-Ⅱ、自适应形状估计多目标进化算法(AGE-MOEA)相比, 该算法在运行时间和反世代距离2项指标上表现更好, 能够更好地为决策提供支撑。

反鱼雷鱼雷虚拟目标导引律设计

李旭东, 万亚民, 吕瑞, 温志文

2023, 31(3): 481-487. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0008

[摘要](83) [HTML全文] (57) [PDF 1347KB](23)

摘要:
为使反鱼雷鱼雷(ATT)快速发现来袭鱼雷, 实现快速占位, 研究了一种新的最佳导引弹道, 利用目标运动特性信息引入虚拟目标, 设计了考虑终端角约束的偏置比例导引律, 以此虚拟目标将ATT按设计的导引律引向真实目标。仿真结果表明, 在典型ATT拦截来袭鱼雷态势下, 引入虚拟目标设计的偏置比例导引律能够使ATT快速发现来袭鱼雷, 有效提高ATT的拦截概率和潜艇的战场生存能力。

雷伞系统稳定特性及控制技术研究

程文鑫, 张峻峰, 汪帅, 刘坚

2023, 31(3): 488-494. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0021

[摘要](70) [HTML全文] (27) [PDF 3987KB](20)

摘要:
随着火箭助飞鱼雷入水速度越来越高, 鱼雷入水安全性对入水姿态变化越来越敏感, 而在雷伞系统降落过程中, 极易出现圆锥摆运动, 导致鱼雷入水时攻角过大, 巨大的击水载荷会使鱼雷结构发生破坏。为提高鱼雷入水安全性, 需采取一定的稳定控制措施, 有效减小鱼雷入水前攻角。文章结合雷伞系统多体运动仿真模型和基于脉冲姿控发动机的姿态控制策略开展雷伞系统姿态控制技术研究, 对鱼雷入水前的雷伞弹道和带伞姿控过程进行了仿真, 仿真结果表明, 当降落伞锥摆频率与鱼雷摆动频率接近时鱼雷才会出现明显的锥摆运动, 而通过引入姿控过程破坏鱼雷自身锥摆频率可以显著减小降落伞锥摆对鱼雷的影响, 使得在一定条件下带伞姿控可以取得很好的姿态控制效果。

鱼雷可靠性与性能一体化设计方法

陈欢, 王斗辉

2023, 31(3): 495-500. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0001

[摘要](128) [HTML全文] (26) [PDF 1240KB](23)

摘要:
为解决鱼雷研制过程中可靠性设计和性能设计顾此失彼、效率低的问题, 结合鱼雷装备研制特点, 通过分析鱼雷可靠性与性能一体化设计需求关系, 提出一体化设计的基本思路和方法, 从而明确了鱼雷可靠性与性能协同设计和一体化评价工作内容和流程。基于该方法建立一体化设计优化模型，使鱼雷可靠性与性能设计能够协同开展，并提高设计效率，最后通过实际算例验证了该模型工程应用价值。

基于无人艇平台的AUV回收技术发展趋势

洪琼, 蒲进菁, 周立, 曹泽强, 刘涵

2023, 31(3): 501-508. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0005

[摘要](471) [HTML全文] (92) [PDF 1914KB](109)

摘要:
使用专用保障母船对自主水下航行器(AUV)进行运载、布放、回收、定位支持、状态监控和能源补给等任务的传统施工方式效费比较低, 因此各科研、工程机构开始研究使用无人艇(USV)搭载AUV并提供必要的技术保障, 其中AUV的自主回收技术至关重要。文中首先介绍了AUV回收技术的发展概况；并对水面滑轨式、水面舱坞式和水下坞站式等3种基于USV平台的AUV自主回收方式进行了详细梳理；最后重点分析了AUV自主回收的关键技术，包括USV集成的布放回收系统设计、AUV引导捕获装置设计和跨介质协同控制等3个方面。旨在为突破关键技术、发展针对AUV作业支持与保障的一体化水面无人平台、提高AUV作业效率、降低施工风险和成本提供研究思路。

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