水下无人系统学报

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何心怡, 程善政, 卢军, 祝琳

2021, 29(1): 001-5. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.001

[摘要](660) [PDF 2192KB](521)

摘要:
受复杂海洋环境以及不断提升的潜艇隐蔽性能的影响, 为了进一步提高探潜能力, 开展新型非声探测技术迫在眉睫。基于此, 文中综述了国外在水下涡流探测技术领域的研究进展, 阐述了潜艇涡流生成机理及探测可行性。通过对比水下涡流仿生探测技术、基于粒子图像测速的探测技术以及激光探测技术的特点可知, 水下涡流激光探测技术以其非接触、灵敏度高、结构简单等特点, 具有良好的发展潜力, 值得深入研究。

基于要素能力重组的水下军事网络信息体系初探

杜方键, 张永峰, 张志正

2021, 29(1): 006-13. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.002

[摘要](284) [PDF 718KB](255)

摘要:
随着作战维度的不断提升, 传统的集中分布式系统架构及其配属的信息化武器装备已无法满足未来网络化体系作战需求, 超系统、超网络、能力化及服务化的网络信息体系建设应势而生, 在改变战场作战形态和战力生成模式的同时加快了战略思维和作战方法的创新。文中首先阐释了基于要素能力重组的网络信息体系概念, 并对体系特征和匹配规则进行了说明, 针对水下一体化联合作战提出构建基于要素能力重组的水下军事网络信息体系, 在对体系能力、体系要素、交互方式分析的基础上, 提出了水下军事网络信息体系架构设想及服务模式, 从体系要素角度探讨了未来水下军事网络信息体系建设需要重点突破的部分发展方向, 以期为未来水下军事网络信息体系建设提供参考。

基于super-twisting二阶滑模算法的作业型ROV路径跟踪控制方法

黄博伦, 杨启

2021, 29(1): 014-22. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.003

[摘要](1136) [PDF 963KB](149)

摘要:
作业型遥控无人水下航行器(ROV)的运动存在时变外界干扰和系统不确定性, 利用常规滑模方法设计其运动控制器会产生抖振现象, 而常用的饱和函数联合边界层法(SatSMC)在消除抖振的同时无法保证控制精度。针对上述问题, 文中设计了super-twisting二阶滑模控制器(STSMC)来实现作业型ROV的空间路径跟踪。利用Lyapunov方法分析了系统的稳定性, 并证明该方法能够保证跟踪误差在有限时间内收敛。将提出的STSMC与SatSMC及比例-积分-微分法进行了仿真试验对比, 结果表明: STSMC能够使ROV完成对既定路径的跟踪, 并具有更好的鲁棒性、快速性和控制精度, 同时产生的抖振也明显小于SatSMC, 控制参数也未增加, 更适于ROV的实际使用。

大规模水下滑翔机集群区域覆盖探测路径规划

邹佳运, 曲泓玥, 陈志鹏

2021, 29(1): 023-29. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.04

[摘要](330) [PDF 599KB](206)

摘要:
在水下滑翔机集群执行搜索任务时, 通过合理设定各平台的搜索路径, 能够有效提高集群的探测效能, 从而实现利用最少平台的最大化探测区域覆盖。为解决大规模集群任务规划中计算量巨大的问题, 文中在栅格法的基础上, 通过几何划定有效覆盖区域并反演栅格序数的方法, 构建了评价覆盖能力的高精度布尔模型, 并以此为支撑, 利用群智能方法实现了大规模集群对广域海区的快速路径规划。在此基础上, 利用序贯思想, 提出了以较小计算量解决集群平台数量最小化的方法。通过仿真试验验证了该方法的可行性。文中的方法可为大规模水下滑翔机集群的探测任务规划提供支持。

基于滚动速度障碍法的AUV动态避障路径规划

章飞, 胡春磊

2021, 29(1): 030-38. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.005

[摘要](461) [PDF 647KB](175)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)在动态环境中的路径规划及避障效果不佳的问题, 提出一种可行的滚动速度障碍方法。该方法将滚动窗口法与速度障碍法相结合, 在混合避障结构下基于滚动窗口法设计合适的三维模型预测控制器, 通过优化目标函数实现对参考路径的稳定跟踪; 窗口滚动的同时构建三维碰撞锥与速度障碍锥模型, 若满足触发避碰条件则计算得到临界碰撞点, 通过对临界碰撞点的跟踪引导AUV安全避障, 若避碰结束则引导AUV完成轨迹恢复。仿真结果表明, 该方法可有效提高AUV在实时路径规划时的动态避障能力。

基于CPG和模糊控制的机器鱼定向游动精确控制方法

和岩辉, 胡桥, 王朝晖, 余雷, 陈振汉, 李怡昕

2021, 29(1): 039-47. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.006

[摘要](342) [PDF 1336KB](237)

摘要:
机器鱼在水下执行探测等作业任务时, 其游动方向的精准性会受到波浪、漩涡等因素的影响, 致使其无法完成相应任务。为解决机器鱼游动方向的精准性问题, 文中基于中枢模式发生器(CPG)理论结合模糊控制器提出了一种可以实现仿鲹科机器鱼定向游动的精确控制方法。首先利用Hopf振荡器构建基于极限环的机器鱼CPG模型, 在机器鱼游动前期, 采用小摆幅高频率的CPG控制信号以获得较大推进力, 后期则采取大摆幅低频率的CPG信号实现稳定游动; 然后, 根据姿态传感器获取机器鱼的航姿角度信息, 利用模糊控制器实时修正机器鱼与目标方向的偏差。通过机器鱼的定向游动及抗干扰试验, 验证了该方法的可行性和有效性, 表明其在机器鱼进行复杂环境下精准方向游动中具有广阔的应用前景。

基于改进型ADRC的全驱动AUV建模与仿真

王震, 王俊雄, 牛啸辰, 苏伟

2021, 29(1): 048-53. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.007

[摘要](410) [PDF 1037KB](194)

摘要:
自主水下航行器(AUV)具有非线性、强耦合且易受外界干扰等特点。为进一步提高AUV的控制精度, 文中首先对六自由度全驱动AUV进行了建模, 并搭建了相应的比例-积分-微分(PID)控制器和自抗扰控制器(ADRC), 对比分析可知, 传统ADRC待调整参数过多且跟踪微分器(TD)环节速度较慢。针对此, 采用Asin函数对传统ADRC的各环节进行了简化, 改进了TD的结构, 并在相同仿真条件下对PID控制器及改进型ADRC控制器的控制效果进行了仿真。结果表明, 在对多自由度运动系统进行控制时, 改进型ADRC相较于PID的控制精度更高, 抗干扰能力也更强。

基于改进变分贝叶斯滤波的SINS/DVL/LBL组合导航技术

赵俊波, 葛锡云, 成月, 李锦

2021, 29(1): 054-59. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.008

[摘要](267) [PDF 551KB](173)

摘要:
为解决水下航行器捷联惯性导航系统(SINS)与多普勒计程仪(DVL)、长基线(LBL)定位设备组合导航问题, 提出使用集中式滤波方案, 并建立了SINS/DVL/LBL组合导航模型。在组合导航过程中, 考虑到使用经典的卡尔曼滤波方法会存在由量测噪声方差时变和野值干扰而导致滤波精度下降的问题, 通过将变分贝叶斯滤波与IGGⅢ权函数相结合, 提出了一种改进变分贝叶斯滤波方法。组合导航仿真结果表明: 文中滤波方法具有较强的自适应能力和抗野值能力, 其滤波精度优于经典的卡尔曼滤波方法和变分贝叶斯滤波方法。

基于Gammatone频率倒谱系数的舰船辐射噪声分析

吴晏辰, 王英民

2021, 29(1): 060-64. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.009

[摘要](248) [PDF 742KB](152)

摘要:
舰船辐射噪声的声学特征提取对目标训练和识别有着重要影响。文中提出一种基于Gammatone频率倒谱系数(GFCC)的特征分析方法: 以目标特征提取方法——Mel频率倒谱系数(MFCC)算法作为比照组, 针对小型低速船只、小型高速船只及大型船只三大类目标, 在2种不同水声环境中提取的5 122个样本进行了分类识别比对试验。试验结果表明, 2种算法的目标识别率均大于80%, 且GFCC在海洋复杂声环境中的识别率显著高于MFCC, 并对高频目标更敏感。说明GFCC算法与标准的MFCC算法相比, 在海洋等强干扰环境下具有更好的抗噪性和更高的快速目标识别率。

一种基于双目视觉的水下导引光源检测和测距方法

朱志鹏, 朱志宇

2021, 29(1): 065-73. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.010

[摘要](341) [PDF 1694KB](247)

摘要:
为满足自主水下航行器(AUV)水下对接过程中高精确性、实时性和鲁棒性等要求, 提出一种基于双目视觉的水下导引光源检测和测距方法, 其中包括水下相机标定、原始图像去噪、光源检测、位置信息解算等几个重要步骤。在原始图像去噪阶段, 引入Laplace算子改进均值去噪算法并增强图像突显光源; 接着使用基于二分法的自适应阈值二值化图像, 将光源与背景有效分开, 进一步检测并匹配左右成像平面光源; 最后, 根据双目定位原理, 利用检测出的光源信息解算相对位置。文中针对水下环境改进传统均值去噪, 更加突显导引光源信息, 以连通域为循环判断条件, 自适应获取最佳图像二值化阈值, 利用加权质心检测确定光源中心, 并通过试验验证该方法满足水下对接精度要求, 且实时性得到优化。

基于生成对抗网络的水下样本生成方法

冷继华, 李永胜, 吕林夏, 刘礼文

2021, 29(1): 074-79. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.011

[摘要](253) [PDF 474KB](143)

摘要:
神经网络技术已成为水下高速航行器目标检测的应用趋势, 该技术需要大量的训练样本以保证训练结果的准确性。生成对抗网络(GAN)作为解决训练样本稀少问题的重要方法, 被广泛应用在各个领域。文中针对水下样本特点对经典GAN模型进行改进, 提出一种基于GAN的水下样本生成方法, 以达到扩增训练样本的目的。首先构建适用于水下样本的GAN模型, 然后以实航试验数据训练模型并优化参数, 最后用该模型进行样本生成仿真并验证生成结果的有效性。仿真结果表明, 生成样本与试验样本吻合较好, 可实现试验样本的数据增强。该方法将有助于解决水下数据样本稀少问题, 为进一步应用神经网络提高水下高速航行器目标检测的效率和准确率提供参考。

基于仿生鱼体结构的平板减阻方法

李广浩, 冯娜, 刘贵杰

2021, 29(1): 080-87. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.012

[摘要](285) [PDF 1708KB](151)

摘要:
海洋环境复杂, 流速变化幅度大, 一般的减阻方式在海洋中表现不稳定, 为更好地适应海洋环境, 文中提出一种新型减阻方法, 并通过数值仿真与试验的方法验证了减阻效果。首先根据仿生学原理, 选择推进方式为靠身体/尾鳍游动模式的鱼类作为研究对象, 仿照鱼体重新建立模型。其次, 通过数值仿真的方法研究模型长度、高度和厚度对减阻效果的影响, 总结减阻规律并初步探究其减阻机理。通过流体试验验证了数值仿真的正确性。试验结果表明, 随着模型长度的增加, 其减阻效果会逐渐变差, 但产生最佳减阻效果时的流速并不受长度的影响; 模型高度的变化对整体减阻效果有很大影响; 随着厚度的增加, 模型将在更大的流速范围内出现减阻效果。重新建立的模型可以有效降低阻力, 并具有广泛的流速适用范围, 可以更好地适应海洋环境。

高压下含大比例不凝气体的水蒸气对流冷凝数值仿真

耿少航, 党建军, 赵佳, 张佳楠, 孙军亮, 秦侃

2021, 29(1): 088-96. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.013

[摘要](268) [PDF 607KB](151)

摘要:
为适用于大航深的水下航行器热动力系统中含不凝气体的水蒸气对流冷凝换热现象进行数值仿真。首先通过定义连续性方程、动量方程、组分输运方程和能量方程的源项对冷凝过程进行建模, 仿真了经典Kuhn试验工况以验证数值模型的有效性, 结果与试验数据对比良好, 换热系数最大误差小于20%。在此基础上, 对10 MPa压力下不同比例水蒸气和不凝气体冷凝换热过程进行数值仿真, 在仿真中考虑了冷凝液膜的影响, 从热流密度、液膜厚度、饱和温度及冷凝质量流量4个方面分析了高压下不凝气体对水蒸气对流冷凝换热的影响。仿真结果表明: 当不凝气体质量分数达到30%时, 水蒸气冷凝换热的平均热流密度仅减小50%。与经典文献中常压下含不凝气体的水蒸气冷凝换热研究对比, 可知高压下不凝气体对水蒸气换热的抑制作用被削弱。

基于AMESim的AUV推进系统建模及仿真验证

赵春城, 郭佳, 徐渴望, 张玮

2021, 29(1): 097-103. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.014

[摘要](327) [PDF 679KB](148)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)推进系统设计早期验证的需求, 提出了推进系统虚拟集成模型仿真验证方法。通过分析AUV推进系统组成和机桨匹配设计原理, 分别建立AUV阻力特性、螺旋桨特性、推进电机和动力电池的AMESim仿真模型, 进而实现推进系统综合虚拟集成, 并以此作为AUV虚拟航行闭环测试环境, 开展AUV快速性、机桨匹配特性、电气参数变化影响规律以及动力电池选型方案的仿真分析。仿真结果验证了推进系统设计方案的匹配性, 可为AUV推进系统设计优化以及部件选型提供参考。

基于CAM矩阵的水下机器人容错控制方法

邱帅, 吕瑞, 范辉, 万亚民, 黄海, 杨管金子

2021, 29(1): 104-110. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.015

[摘要](294) [PDF 627KB](209)

摘要:
针对水下机器人推进器出现故障后控制效果变差, 无法完成指定任务, 甚至可能造成机器人的丢失等问题, 文中提出一种基于控制分配机(CAM)矩阵的水下机器人容错控制方法。利用CAM矩阵重构推力分配确保机器人航行稳定, 同时使用序列二次规划方法寻找最大合力推力分配策略实现效率最大。通过仿真对所提方法进行有效性验证, 结果表明, 该容错控制方法能够处理推进器部分或完全失效故障并使机器人保持一定的性能稳定航行。

基于图像处理的水下海参识别和定位方法

张韫峰, 李娟, 黎明

2021, 29(1): 111-123. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.016

[摘要](323) [PDF 11247KB](393)

摘要:
为解决复杂环境下海参识别和定位的难题, 文章提出了一种基于图像处理的海参识别和定位算法。首先, 在图像预处理基础上设计基于模糊增强的融合RGB海参刺和海参主干突出特征算法, 以突出海参目标特征, 通过改进的图像分割方法提取海参轮廓, 利用链表法去伪边缘和形态学轮廓优化实现海参目标的识别。对海参目标的定位分为2种情况: 对形状规则的海参目标通过椭圆一次拟合来初步定位; 对形状不规则的海参目标通过提取海参目标方向特征进而设计基于最小外接矩形方向椭圆二次拟合算法来定位。仿真结果表明该算法可以有效识别和定位海参目标, 判断海参体积大小, 为海参可持续自动捕捞提供了一种有效方法。

双自由度舵机传动机构运动学仿真

王中, 张雄科, 范辉, 杨贺然, 王俊昌, 汤伟江

2021, 29(1): 124-128. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.01.017

[摘要](300) [PDF 749KB](179)

摘要:
超高速水下航行器在航行过程中工况复杂, 速度跨度大, 舵效变化大, 常规舵机无法满足操舵要求, 而双自由度舵机可以改善操舵性能。文章以该舵机的传动机构作为研究对象, 利用UG软件建立三维实体模型, 并将其导入到ADAMS软件建立基于多体接触理论的机械仿真模型, 仿真得到各级齿轮转速与啮合力。仿真结果表明转速相对误差小于1%, 啮合力相对误差小于6%, 验证了仿真模型的正确性。仿真结果可为传动机构的优化设计提供参考。

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