水下无人系统学报

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何心怡, 陈双, 陈菁, 张思宇

2019, 27(6): 601-606. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.001

[摘要](642) [PDF 2866KB](640)

摘要:
反潜训练靶标是高效开展反潜训练的必备手段。文中系统梳理了国外反潜训练靶标应用现状, 深入分析了美军以靶雷等模拟靶标为主体的反潜训练靶标及其运用思路, 提出了我国类似装备的发展建议: 1) 逐步完善以靶雷为主体的反潜训练靶标装备体系; 2) 加大靶雷关键技术攻关力度; 3) 深入开展训练方法研究。文中内容可为我国相关领域装备与技术发展提供借鉴。

基于主动倾斜转弯的超空泡航行器机动控制方法

宋书龙, 吕瑞, 周景军, 万亚民, 李建辰

2019, 27(6): 607-613. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.002

[摘要](395) [PDF 713KB](211)

摘要:
针对超空泡航行器采用传统方式机动能力不足的问题, 文中建立了一种基于主动倾斜转弯的机动控制方法。在分析超空泡航行器流体动力的基础上, 根据不同工况下航行器的沾湿情况, 求解了滑行力系数及力矩系数表格, 对滑行力进行了重构, 建立了超空泡航行器六自由度动力学模型, 基于极限操舵模式设计了超空泡航行器深度与横滚通道的比例-积分-微分控制器, 提出了基于主动倾斜转弯控制策略的横滚-航向协调控制的机动控制方法。数学仿真结果表明, 所设计的控制器动态性能良好, 可以满足超空泡航行器的机动要求。文中方法可为单自由度空化器超空泡航行器的机动实现问题提供参考。

基于PMF算法的水下地形辅助导航性能研究

徐振烊, 张静远, 王鹏, 王新鹏

2019, 27(6): 614-623. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.003

[摘要](367) [PDF 1489KB](311)

摘要:
针对目前水下地形辅助导航性能受诸多因素影响而无法得到最佳发挥的问题, 采用双线性插值法制备了相应分辨率的水下数字地图, 基于直接概率准则的质点滤波(PMF)算法, 较为全面地仿真分析了水下航行器航速、测深误差、航向误差、速度误差、初始位置偏差, 以及水下地形特征等因素对导航性能的影响规律, 对PMF算法在复杂条件下的应用性能进行了剖析。仿真结果表明, PMF匹配算法在复杂条件下具有较强的稳定性; 一定范围内, 该算法对速度和航向表现出较好的抗误差能力, 但速度太低会严重影响匹配性能; 该算法受测深误差和初始位置偏差的影响程度较大, 对测深精度和惯性导航系统提出了相对较高的要求; 该算法地形适应性较强, 但丰富地形更有利于匹配导航; 通过合理地选择应用参数, 可有效降低匹配误差, 提高导航性能。该项研究可为日后匹配算法在水下导航工程实践中的应用提供参考。

输入受限的自主水下航行器自适应反演控制

李鑫, 黄茹楠, 丁宁

2019, 27(6): 624-628. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.004

[摘要](398) [PDF 494KB](231)

摘要:
针对控制输入存在限制的自主水下航行器轴向位置跟踪控制问题, 采用自适应反演技术设计控制器。引入双曲正切光滑函数保证控制输入的有界, 利用滑模控制项来克服未建模部分的阻尼特性, 设计自适应率来估计海流速度。根据Lyapunov理论证明了该控制器能够实现对轴向位置的跟踪控制, 并且保证了系统的跟踪误差是全局一致最终有界的。仿真结果表明, 该控制器的输出光滑有界, 并具有良好的自适应性和一定的鲁棒性。

一种移动FH-FSK通信多普勒估计方法

王维伟, 孙慧嵩, 颜宏璐

2019, 27(6): 629-635. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.005

[摘要](450) [PDF 558KB](233)

摘要:
在进行水下移动通信时, 多普勒效应会对信号造成影响, 常规估计多普勒频偏因子的方法是通过发射多普勒敏感脉冲信号进行估计。在跳频通信-频移键控(FH-FSK)通信中, 单个码片具有较好的多普勒敏感性, 文中采用32个跳频码片作为同步信号, 对同步信号中逐个码片进行多普勒因子估计。在多普勒因子选择时, 提出进行2次卡尔曼滤波后再取中值的方法, 使估计值更接近准确值。考虑到多普勒效应对同步造成的影响, 采用同步后进行多普勒补偿再次同步的方法, 进一步减少解码时由于同步偏差较大带来误判的可能性。仿真试验结果表明, 基于卡尔曼滤波的多普勒因子选择方法能使多普勒估计值更贴近理论值, 且重同步后通信误码率降低。该方法能够提高多普勒估计精度, 进一步提升移动FH-FSK通信性能。

基于多片高性能DSP的主动声呐低速运动小目标探测系统

张舒皓, 马晓川, 杨力, 詹飞

2019, 27(6): 636-643. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.006

[摘要](379) [PDF 962KB](223)

摘要:
自主水下航行器(AUV)等水下运动平台的主动声呐在浅海复杂环境工作时, 其性能容易被杂波造成的虚警影响, 难以完成对低速小目标的探测。针对这一问题, 探测系统采用了具备杂波抑制能力的二进制相移键控(binary phase shift keying, BPSK)波进行目标探测。但BPSK波多普勒敏感、速度容限小、易失配, 需要大量的副本覆盖检测范围, 处理过程计算量大。为了解决这一问题, 文中采用6片高性能数字信号处理器(DSP)芯片构成的信号处理机, 设计了与硬件平台适应的处理算法, 并对软件进行了实时性优化。经过实时性测试, 该系统可在160 ms内完成发射脉宽200 ms的BPSK波1帧回波数据的实时处理。湖试试验中, 该系统可检出预先布置在1 360 m处, 航速1 kn, 目标强度3 dB的应答器。试验结果表明, 该探测系统可在复杂水下环境实时有效探测低速小目标。

基于多参量联合特征的水下小目标分类识别

赵国贵, 梁红, 陆禹, 杨长生

2019, 27(6): 644-650. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.007

[摘要](440) [PDF 1445KB](328)

摘要:
目标的主动声呐回波包含大量的目标信息, 通过对目标回波进行特征提取可实现对目标的分类识别。针对单一特征无法较好地完成水下小目标分类识别任务的问题, 文中提出一种基于多参量联合特征提取的水下小目标分类识别方法, 选取线性调频信号、双曲调频信号和蝙蝠仿生信号等不同形式的发射信号, 对目标回波的方差、谱质心以及小波能量谱峰值进行特征联合, 并利用反向传播神经网络分类器对目标进行分类识别。水池实验证明, 基于多参量联合特征提取的水下小目标分类识别方法可有效提高目标的分类识别率; 相比于传统信号, 利用蝙蝠仿生信号进行水下目标分类识别的效果更好。文中的工作可为利用多种特征联合分类识别水下目标提供参考。

基于滑模观测器的PMSM单相霍尔位置传感器故障容错控制算法

张明明, 刘维亭, 魏海峰, 张懿, 李垣江, 李震

2019, 27(6): 651-657. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.008

[摘要](507) [PDF 1103KB](261)

摘要:
在高性能的水下航行器推进系统中, 为了解决由于永磁同步电机(PMSM)单相霍尔位置传感器故障, 导致的转子位置估算不准确、电机无法正常驱动等问题, 提出一种新型容错算法。首先将故障加速度引入传统平均速度法, 构建改进1阶加速度容错算法, 在改进1阶加速度容错算法估算转子位置的基础上，建立电流滑模观测器, 通过锁相环提取容错后的转子位置; 然后针对单相霍尔位置传感器故障状态, 将改进1阶加速度容错算法与滑模观测器的观测结果根据权值协调输出; 最后, 通过试验验证了单相霍尔位置传感器故障类型下的控制系统性能。试验结果表明, 新型容错算法提高了传统霍尔位置传感器PMSM控制系统的稳定性和可靠性, 有效改善了推进系统在故障情况下的加速性能, 优化了容错控制效果。

基于四元阵定位算法的鱼雷入水点误差分布分析

丁明惠, 庄瑞, 岳雷

2019, 27(6): 658-663. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.009

[摘要](385) [PDF 1465KB](208)

摘要:
鱼雷入水点精度是评定鱼雷性能的主要战技指标之一。文中首先推导了基于四元阵定位鱼雷入水点算法, 并进行了仿真验证。在此基础上, 针对由于时延差估计导致的定位误差进行了分析, 推导了其误差方程, 给出了误差较大部分的主要成因。最后对不同阵形的定位误差进行仿真, 并将引入同向误差和反向误差的仿真结果进行对比。结果表明, 通过改变原来正方形阵元的布放位置, 定位误差分布会向原正方形对角部分压缩, 并且误差较大的面积会减少, 从而达到了降低误差、提高定位精度的目的。文中研究可为四元阵测量鱼雷入水点工程应用提供参考。

装药深度及空气域尺寸对水下爆炸的影响分析

刘世聪, 王秋生, 娄浩然

2019, 27(6): 664-672. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.010

[摘要](455) [PDF 1449KB](249)

摘要:
在水下爆炸试验中, 很难开展针对装药深度及影响数值计算精度的空气域尺寸研究, 因此, 数值仿真就成为研究水下爆炸的重要手段。文中基于离心机水下爆炸试验, 利用二维、三维模型对超重力场下的球形炸药水下爆炸进行仿真, 并与试验结果进行对比, 验证了所建模型的合理性。在2个模型的基础上, 同时建立具有不同装药深度及空气域尺寸的模型, 以研究两者对水下爆炸冲击波及气泡脉动数值仿真结果的影响。研究表明: 装药深度越大, 距离炸药中心相同测距处的冲击波峰值越大, 但峰值随装药深度的增幅并不明显; 空气域尺寸大小对水下爆炸气泡脉动计算影响也很小。

水下航行器动力装置动力学特性研究

曹浩, 文立华, 王志杰, 赵昌利

2019, 27(6): 673-679. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.011

[摘要](523) [PDF 649KB](227)

摘要:
动力装置是水下航行器辐射噪声的主要来源, 为了有针对性地隔离振动、控制辐射噪声, 有必要研究关键零件的运动特性和力学特性。文章采用自下而上的方法, 建立了包含发动机、燃料泵等在内的详细动力装置模型, 完成了虚拟样机建模。基于虚拟样机研究了活塞、配气阀体、减振垫、海水管等关键零件的运动特性及受力情况。经分析, 活塞的加速度突变、配气阀体和阀座脱离是轴向振动的主要成因; 受装配位置的影响, 6个减振垫径向载荷数值相当、规律相同, 而轴向的受力差异较大; 海水管轴向受力呈现单频周期特性。在工程设计中, 应区别设计减振垫刚度并用柔性海水管代替刚性海水管, 这些措施为降低辐射噪声提供了结构改进方向。

基于热电效应的水下航行器热电余热回收方法

蔺旋, 胡桥, 王朝晖

2019, 27(6): 680-687. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.012

[摘要](335) [PDF 3144KB](209)

摘要:
针对热动力水下航行器在航行过程中能源利用率低、机体发热等问题, 提出了一种基于热电效应的水下航行器能源回收方法, 将机体废热直接转化为电能。该方法基于热电效应中的Seebeck效应, 结合水下航行器的发热特点对余热回收装置进行结构设计, 利用Comsol仿真软件对余热回收装置进行结构简化设计, 然后根据简化模型搭建热电余热回收装置试验平台, 最后进行水下航行器航行参数下的热电回收试验, 试验结果验证了该方法的可行性和有效性。该方法为水下航行器的余热回收提供了新的思路与技术支撑。

基于气动代理模型的雷箭分离快速仿真

聂文超, 蔡卫军

2019, 27(6): 688-694. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.013

[摘要](451) [PDF 880KB](233)

摘要:
由于助飞鱼雷结构布局紧凑、分离过程迅速且气动干扰严重, 导致雷箭分离过程容易发生相互碰撞, 因此其成为助飞鱼雷研制中必须解决的一项关键技术。目前常采用试验和数值仿真方法解决这一问题, 但是雷箭分离过程的设计需要对多参数多工况进行计算, 迭代寻优, 上述2种方法并不满足大量、快速的计算要求。针对此, 文中提出了基于径向基神经网络气动代理模型与虚拟样机联合仿真的方法。该方法通过提取影响气动力的关键因素, 利用试验或数值计算得到气动力样本库, 基于径向基神经网络算法建立了气动代理模型, 具有良好的逼近和预测精度。联合雷箭分离多体动力学虚拟样机模型, 可对雷箭分离过程进行快速仿真及对各参数的影响规律进行分析。

基于改进A*算法的无人船完全遍历路径规划

吕霞付, 程啟忠, 李森浩, 林政

2019, 27(6): 695-703. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.014

[摘要](684) [PDF 1305KB](425)

摘要:
针对无人船在复杂环境下完全遍历路径规划算法效率差、普适性低的问题, 文中提出了一种基于改进A*算法的无人船完全遍历路径规划方法。首先通过地面站上位机电子地图界面发布任务区域, 将该任务区域转换为栅格地图; 然后通过内螺旋算法开始对栅格地图进行遍历; 最后当无人船陷入死角时, 通过改进A*算法搜索最优路径, 逃逸死角继续遍历, 直到完成所有可达区域的遍历。仿真结果表明, 相比现有完全遍历的优化方法, 该方法规划的路径步数从814步减少到784步, 重复率从优化前的7.8%改善至3.98%, 改善了性能指标, 具有较好的应用前景。

一种电磁驱动机器鱼避障方法

朱红秀, 杜闯, 褚彦斌, 郑权, 刘兆盈, 丁浩楠

2019, 27(6): 704-710. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.015

[摘要](485) [PDF 2455KB](198)

摘要:
机器鱼工作的水下环境往往是复杂且无法准确预知的, 因此在遇到障碍物时, 能够及时躲避转弯尤为重要。文中提出了一种利用模糊控制实现以电磁驱动器作为动力源的机器鱼转弯避障控制方法, 并在FLUENT软件中使用用户自定义函数和动网格技术进行了转弯仿真, 结合安装红外距离传感器, 在Matlab中设置模糊控制器输入输出隶度函数, 并归纳出模糊控制的规则。最后搭建实验平台进行机器鱼水下转弯避障游动实验, 实验结果表明, 模糊控制结合红外距离传感器可以实现电磁驱动机器鱼在二维平面游动时的有效避障。

基于水介质导电特性的水下信号传输方法及应用

梁奇兵, 吴飞, 施黎明, 赵海潇

2019, 27(6): 711-715. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2019.06.016

[摘要](501) [PDF 2154KB](226)

摘要:
为了在注满水的金属容器内外之间实现近距离无线信号传输, 文中提出了一种利用水介质导电特性进行水下信号传输的方法。首先分析了基于水介质导电特性进行信号传输的理论模型, 在此基础上设计了一套通信系统, 并搭建了试验测试系统, 验证了此种无线信号传输方法的可行性。在试验条件下, 电极相距40 cm内可以9.6 kbit/s的传输速率无误码传输信号。文中所提方法及系统可实现水下航行器内部测控系统和发射管外部通信控制系统间数据和指令的无线传输, 提高试验效率。

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2019年第27卷第6期

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