水下无人系统学报

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钱洪宝, 卢晓亭

2019, 27(5): 474-479. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.001

[摘要](999) [PDF 334KB](587)

摘要:
文中简要综述了国内外水下滑翔机(UG)技术发展现状, 回顾了我国UG发展的历程。重点介绍了国家科技计划对以UG为代表的海洋仪器装备的安排部署和支持情况、取得的技术进展和主要经验做法。最后, 从单体技术、协同组网和应用研究等3个方面对UG技术下一步的发展提出了意见和建议, 具体包括: 应进一步加强低功耗设计、最优路径规划与控制策略算法、多参数获取及搭载能力、数据质量标准和信息安全传输等核心关键技术的攻关, 加快UG单体技术的改进和优化升级; 可同步加强多UG编队协同组网观测技术研究, 提升其整体作业效率和观、探测效果; 应继续加强UG观测的功能拓展和海洋科学应用研究。文中的工作可为未来实现“透明海洋”目标提供数据支撑。

Petrel-II 200水下滑翔机动力学建模及仿真

孙秀军, 王雷, 桑宏强

2019, 27(5): 480-487. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.002

[摘要](781) [PDF 849KB](407)

摘要:
国内对水下滑翔机动力学行为的研究多针对深海型及横滚转向机制, 而对浅海型、尾舵转向类型研究较少。基于此, 文中以Petrel-II 200浅海型水下滑翔机作为模型进行动力学建模及运动仿真分析, 并引入海流等干扰因素, 为浅海型水下滑翔机的运动形式提供参考。根据Petrel-II 200三维模型中各质量的相对运动关系将其质心简化为由多个质点组成的多刚体系统, 构造质心与质点之间的关系式; 基于动量及动量矩定理对Petrel-II 200进行动力学分析, 对水下滑翔机所受重力、驱动浮力以及水动力进行体坐标系转换, 并推算出完整的动力学方程, 明确了升阻比与回转半径表达式; 通过选取水下滑翔机物理、水动力学参数, 对锯齿、螺旋等典型运动进行仿真试验。该仿真结果验证了动力学模型的准确性和可靠性, 为后续Petrel-II 200水下滑翔机的运动性能优化和控制算法设计提供了良好的仿真平台。

“海鲟4000”水下滑翔机水动力特性与滑翔性能研究

刘来连, 闵强利, 张光明

2019, 27(5): 488-495. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.003

[摘要](747) [PDF 1229KB](397)

摘要:
与一般水下滑翔机相比, 4 000 m水下滑翔机使用深度更深, 体型相对更大。为了克服海水密度变化的影响, 其浮力调节系统的体积调节量也更大。准确的动力学模型以及精确的水动力系数是实现其控制系统设计以及精确导航的基础。文中将在结构参数已定, 动力学模型已知的前提下获得精确的水动力系数, 对水下滑翔机性能进行预测, 并为控制系统提供控制变量和优化方向作为研究的重点。以“海鲟4 000”水下滑翔机为研究对象, 采用理论计算、计算流体动力学(CFD)仿真与试验数据分析相结合的方法, 分析了水平翼参数对其滑翔性能的影响; 获得了其在纵平面内做定常运动的水动力系数, 并对其性能进行预测; 通过试验数据分析, 获得典型滑翔状态下不同净浮力对应的滑翔速度, 并与理论计算进行对比分析, 验证理论计算的正确性。研究结果表明: 试验实际俯仰角控制与理论计算误差在5%以内; 试验实际净浮力下的滑翔速度与理论计算误差在15%以内, 满足控制系统相应控制量20%的误差需求。文中研究可为水下滑翔机控制系统的进一步优化和完善提供参考。

基于改进型Kriging-HDMR的翼身融合水下滑翔机外形优化设计

张宁, 王鹏, 宋保维

2019, 27(5): 496-502. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.004

[摘要](445) [PDF 937KB](247)

摘要:
为了使翼身融合水下滑翔机(BWBUG)具有更优的升阻特性, 文中通过在优化过程中引入改善期望(EI)补点策略和移动中心点策略, 对传统克里金-高维模型表示(Kriging-HDMR)优化方法进行了改进, 以达到更准确的预测精度和更高效的优化效率。首先通过基于分类函数变换的参数化方法, 建立BWBUG外形的参数化模型, 然后以最大化升阻比为优化目标, 采用改进型Kriging-HDMR优化方法, 对BWBUG外形进行优化设计。试验结果表明, 优化后BWBUG外形的升阻比比初始外形提高了3.135 6%。

一种水下滑翔机盐度数据的噪声处理方法

易镇辉, 俞建成, 毛华斌, 张志旭, 练树民, 邱春华, 李先鹏

2019, 27(5): 503-513. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.005

[摘要](537) [PDF 1579KB](317)

摘要:
温盐深传感器(CTD)是水下滑翔机常规搭载的模块, 可以高效地观测海水的温度、盐度和压强。但在盐度的计算过程中, 热滞后误差问题普遍存在且不可忽略。对此, Morison 等提出能有效修正热滞后误差的方法。文中对2017年7~8月间, 8台“海翼”水下滑翔机搭载的滑翔机有效载荷CTD(GP-CTD)数据进行处理, 用中值滤波和移动平滑滤波解决盐度峰的问题, 基于上述方法, 对盐度数据进行热滞后修正, 发现热滞后误差与垂向温度结构和水平分辨率密切相关; 在剖面插值过程中, 由海洋内部波动引起的压强振荡影响插值结果, 会带来很大的盐度差和温度差, 并基于CTD剖面数据, 提出一种海洋内部波动的简单识别方法。文中的工作可为水下滑翔机的数据质量控制和海洋现象的捕捉提供参考。

水下滑翔机数据管理

王冠琳, 王岩峰, 官晟

2019, 27(5): 514-520. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.006

[摘要](731) [PDF 614KB](347)

摘要:
近年来, 随着水下滑翔机技术的深入发展, 其在各国海洋观测与探测系统中发挥着重要作用, 由此积累了大量的观测数据, 构建了相当成熟的数据管理框架体系, 并将逐步形成标准的业务化流程。我国在此方面开展的工作尚处于起步阶段。基于此, 文中综述了全球海洋观测系统(GOOS)计划对水下滑翔机数据管理的需求, 介绍了美国综合海洋观测系统(IOOS）、澳大利亚综合海洋观测系统(IMOS)和欧洲水下滑翔机观测组织(EGO)等已经形成的水下滑翔机业务化数据管理系统, 梳理总结了水下滑翔机数据管理在工作流程创建、数据格式和元数据、质量控制等关键技术方面的核心内容, 同时提出了水下滑翔机常见搭载的温盐深传感器(CTD）、光学类和生化类传感器的数据质控要点。最后, 从我国水下滑翔机的应用现状和发展角度, 对水下滑翔机数据管理未来的工作进行了讨论, 并在数据质控、业务体系建设等方面提出了具体建议。文中的工作可为我国水下滑翔机观测数据的科学管理及应用提供参考。

波浪滑翔器网络版岸基监控中心设计

桑宏强, 游宇嵩, 孙秀军

2019, 27(5): 521-528. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.007

[摘要](134) [PDF 2995KB](45)

摘要:
波浪滑翔器可通过卫星中继将搭载的传感器数据发送到岸基监控中心, 以获取海洋观测数据, 对于海气界面通量观测具有不可或缺的作用。文中针对传统的单机版岸基监控软件脱机使用不方便、无法跨平台使用及用户体验差等缺点, 设计了波浪滑翔器网络版岸基监控中心。该设计基于浏览器/服务器模式(B/S)架构, 利用模型-视图-控制器(MVC)的开发模式, 可对观测数据进行实时接收和分析处理, 完成波浪滑翔器的跟踪定位、航迹显示和路径规划等功能, 实现了全球性、动态交互、跨平台的波浪滑翔器分布式图形信息系统。海试试验验证了该设计的有效性与实用性。

水下滑翔机导航技术发展现状与展望

吴尚尚, 李阁阁, 兰世泉, 杨绍琼, 张连洪

2019, 27(5): 529-540. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.008

[摘要](841) [PDF 503KB](512)

摘要:
水下滑翔机水下导航定位精度的提高对于滑翔机完成海洋环境观测、资源探测、海洋目标识别与定位等任务至关重要。现有的水下滑翔机导航技术以航位推算搭配全球定位系统(GPS)为主。随着导航技术的进步, 惯性导航、声学导航、海洋地球物理导航和组合导航等技术将更多地应用于水下滑翔机。基于此, 文中简要介绍了水下导航技术原理、分类以及常用算法, 综述了水下滑翔机导航相关技术研究与应用的国内外现状, 探讨了水下滑翔机冰下导航的技术难点和发展趋势。文中的工作可为水下滑翔机导航技术的深入研究与试验应用提供依据。

基于航向补偿的水下滑翔机路径跟踪控制方法

桑宏强, 于佩元, 孙秀军

2019, 27(5): 541-548. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.009

[摘要](559) [PDF 571KB](223)

摘要:
针对水下滑翔机在内部模型非线性和外界环境干扰下的水平路径跟踪控制问题, 文中以水下滑翔机Petrel-II 200动力学模型作为闭环控制系统仿真平台, 提出一种包含积分视向导航(ILOS)、基于航向补偿(HC)的滑模控制(SMC)及粒子滤波(PF)的路径跟踪控制方法。通过ILOS算法实时更新水下滑翔机的期望航向角, 基于航向补偿的滑模控制算法用于消除航向控制中的稳态误差, 在反馈回路引入粒子滤波器削弱过程噪声及测量噪声的干扰, 给出完整的路径跟踪控制模型, 并从不同方面进行了仿真验证。由数值仿真结果可知, 与传统的比例-积分-微分(PID)控制相比, 文中所提方法在方波航向跟踪中航向平均误差减小80.14%, 均方根误差减小4.1%; 正弦航向中最大航向误差减小40.9%, 标准差减小3.6%, 同时避免了舵角输出的高频震荡, 有效地降低了能耗。在滤波仿真中, 粒子滤波可以滤除80%的固定航向噪声与90%随机航向噪声。在路径跟踪仿真中, 所提方法能有效地对期望路径进行跟踪。上述仿真结果验证了所设计路径跟踪控制方法的有效性。

一种UUV智能应急安全控制自救系统设计

张安通, 徐令令, 王健, 肖冬林, 张波

2019, 27(5): 548-554. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.010

[摘要](562) [PDF 577KB](280)

摘要:
针对无人水下航行器(UUV)航行作业时面临的安全性问题, 提出了一种智能应急安全控制自救系统, 该系统采用了电磁耦合的工作模式, 其基本原理是通过直流线圈产生与永磁体强度相同的反向磁场, 以消除电磁铁的磁力, 并利用弹簧力将负载抛掉。通过分析线圈电磁力与线圈匝数等参数的对应关系, 给出了电磁铁设计方法, 在系统设计时通过在滑道中设置单向斜坡扰动结构, 以及在控制机制中采用故障优先权联锁等, 实现了系统的低功耗及高可靠性。湖上试验验证表明, 该系统对于提高中小型UUV在复杂海洋环境中的安全性具有实用价值。

基于水下滑翔机的海洋声学背景场观测技术

尹云龙, 杨明, 杨绍琼, 刘玉红, 牛文栋

2019, 27(5): 555-561. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.011

[摘要](690) [PDF 1651KB](456)

摘要:
水下滑翔机作为新型水下无人平台, 具有对海洋环境噪声进行长时序, 大范围稳定观测能力。文中通过开展水听器与水下滑翔机集成应用研究, 设计完成了具备海洋环境噪声测量能力的声学观测型水下滑翔机。基于水听器工作原理与水下滑翔机运动约束, 并根据商用计算流体力学软件对流体水动力参数的计算结果, 优化了水听器在水下滑翔机本体的安装位置。通过建立声学观测型水下滑翔机动力学模型, 进行了运动仿真并确定最优运动参数, 并于2019年5月在我国南海某海域进行了海上试验应用, 获取了大量的水下滑翔机自噪声与海洋环境噪声数据。海上试验数据分析结果验证了声学观测型水下滑翔机的运动稳定性及其海洋声学背景场的观测能力。

“黑珍珠”波浪滑翔器南海台风观测应用

孙秀军, 王雷, 桑宏强

2019, 27(5): 562-569. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.012

[摘要](747) [PDF 3452KB](520)

摘要:
波浪滑翔器的台风观测技术在国外已经十分成熟并获得广泛应用, 但在国内仍处于技术层面。为拓展波浪滑翔器的应用范围, 国内学者利用“黑珍珠”波浪滑翔器在南海进行了为期17天的海试试验,首次对波浪滑翔器进行了台风观测应用尝试。文中介绍了“黑珍珠”波浪滑翔器的结构组成、工作原理及试验情况, 利用搭载的波浪传感器和声学多普勒流速剖面仪(ADCP)获取了台风经过时的波高、波周期和剖面流速等海洋动力环境数据, 并与浮标数据进行比对分析, 发现两者数据吻合度好、误差低、相关度高, 验证了波浪滑翔器所测数据的准确性, 证明了我国自主研制的“黑珍珠”波浪滑翔器具备极端海况观测的潜能, 填补了我国波浪滑翔器在台风观测应用领域的空白。

一种角度加权的最小二乘目标定位算法

杜金香, 许恒博, 祝鹏

2019, 27(5): 570-573. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.013

[摘要](531) [PDF 404KB](245)

摘要:
在基于波达方向估计(DOA)的多传感器节点目标三维空间定位算法中, 当目标与传感器节点处于不同深度时, 定位原理决定了不同的俯仰角误差将导致不同的定位误差, 特别是当传感器与目标接近于同一平面，即俯仰角接近90°时, 较小的俯仰角误差将引起非常大的定位误差。为了解决该问题, 论文提出在最小二乘定位算法中, 根据不同俯仰角进行加权的方法, 降低俯仰角估计值接近90°的节点分量在定位方程中的贡献, 减少俯仰角估计误差对综合定位精度的影响, 提高定位算法对俯仰角估计误差的稳健性。文中对单个目标的定位进行了计算机仿真, 对比了某些节点深度与目标接近情况下加权最小二乘算法和最小二乘算法的定位性能, 仿真结果说明当参与定位的部分节点与目标深度接近时, 所提加权最小二乘算法对目标位置的估计均方根误差低于最小二乘算法, 具有更高的定位精度和稳健性。

鱼雷振动试验系统结构传递特性影响因素分析

王红瑞, 曹小娟, 尹韶平, 张志民, 单志雄

2019, 27(5): 574-579. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.014

[摘要](332) [PDF 528KB](299)

摘要:
鱼雷振动试验系统结构复杂, 涉及螺栓连接、非线性材料、夹具等结构。试验系统传递特性优劣对振动环境条件模拟的置信度起着决定性的作用, 因此, 构建能够准确传递振动试验条件的试验系统是开展结构传递特性试验和仿真的基础。文中针对舱段振动试验系统, 基于不同边界条件设置, 开展随机载荷激励下系统的传递特性有限元仿真分析, 最终确定了影响试验系统结构传递特性的因素。并得出以下结论: 1) 螺栓预紧力、夹具支撑间距、中间层材料属性是影响系统传递特性的主要因素; 2) 在一定范围内, 随着螺栓预紧力增加, 系统传递特性呈递增趋势, 当拧紧力矩大于40 N·m时系统传递特性趋于稳定; 3) 长细比为2~4左右的鱼雷舱段, 支撑比取50%~66.67%时系统传递特性更好; 4) 中间层取厚度小、摩擦系数大、阻尼比相对较大的材料时, 系统共振频率更高, 传递特性更好。

鱼雷空投附件模块化设计探讨

帅智浩, 徐新栋, 李兵, 赵琪

2019, 27(5): 580-588. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.015

[摘要](448) [PDF 472KB](361)

摘要:
传统鱼雷空投附件单一根据平台或雷型开展研制工作, 其研制周期长、成本高、使用保障困难。为解决以上问题, 文章首先对鱼雷空投附件吊挂鱼雷、稳定减速、解除待发绳约束、解除设定插头约束、空中止转和缓冲减阻等功能接口进行了梳理分析; 并借鉴产品模块化设计方法, 按照功能模块划分、模块系列化、模块组合的设计步骤, 分别形成了直升机、固定翼飞机和助飞平台带载不同鱼雷时的空投附件模块化设计方案; 最后给出了设计实例。鱼雷空投附件模块化设计思路可为空投附件工程研制提供参考。

气象风影响下雷伞系统仿真研究

温志文, 杨智栋, 蔡卫军

2019, 27(5): 589-594. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.016

[摘要](572) [PDF 395KB](203)

摘要:
空投鱼雷在空中运动过程中不可避免会受到气象风的干扰。基于此, 文中建立了空投鱼雷雷伞系统数学模型, 在此基础上着重分析了气象风对数学模型的修正, 然后对空投鱼雷在气象风影响条件下的空中弹道进行了仿真分析。仿真结果证明了文中所建立的雷伞系统数学修正模型的合理性, 能够获得稳定的鱼雷空中弹道。该仿真结果可为空投鱼雷的弹道设计提供参考。

鱼雷动力系统振动控制技术及应用研究

曹浩, 张伟伟, 文立华, 王志杰, 赵昌利

2019, 27(5): 595-600. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.017

[摘要](656) [PDF 1061KB](621)

摘要:
为进一步降低鱼雷动力系统噪声水平, 文章对鱼雷动力系统的振动控制技术进行论述, 分析了结构动力学设计方法、整机隔振技术、液流管路振动抑制技术以及装配工艺技术在鱼雷动力系统振动控制工程上的应用, 指出了鱼雷动力系统振动控制领域的发展方向: 设计层面, 从以往解决结构强度、刚度为主的设计方法转换为以结构动力学为牵引, 以实现低噪声、大推比的动力系统为目标的设计方法; 隔振层面, 从以往的单点局部隔振向整机隔振与液流管路振动抑制方向发展; 装配调试层面, 装配工艺控制日益成为影响振动性能的重要因素。文章所述内容可为研制具有较低噪声水平的鱼雷动力系统提供理论参考。

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2019年第27卷第5期

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