水下无人系统学报

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李红志, 闫晨阳, 贾文娟

2021, 29(3): 249-256. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.001

[摘要](618) [PDF 918KB](225)

摘要:
温盐深(CTD)是海洋动力环境要素中最基础的环境信息, 海洋调查首先是对海水的温度、盐度随深度分布及变化的调查。所有的海洋观测监测平台都要集成和应用温盐深传感器, 相关测量仪器已普遍应用于台站, 船舶, 浮标, 潜标, 座底式、拖曳式和水下运动平台等。文中分析了国际上海洋CTD测量传感器的应用需求和技术发展动态, 回顾了我国温盐深传感器技术的发展历程, 深度剖析国内CTD传感器应用的“卡脖子”之痛原因之所在。最后, 针对多年来我国该项技术一直依赖于进口、受制于人的现状, 提出实现该技术自主创新和产业发展的思考建议。文中研究可以为未来国产海洋CTD传感器技术的自主创新和产业发展提供一些建议。

超声耦合无线电能传输技术研究综述

张林森, 宁小玲, 胡平

2021, 29(3): 257-264. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.002

[摘要](492) [PDF 551KB](191)

摘要:
超声耦合无线电能传输(UCCET)是一种新型的无线电能传输技术。文中从UCCET技术的应用场景和优势入手, 分析了UCCET基本原理, 总结了其技术特点。随后着重从低功率和高功率应用两方面分别梳理了国内外UCCET技术在植入式医疗电子设备供电、隔金属介质设备供电、隔空气介质设备供电和隔水介质设备供电等方面的研究现状, 最后阐述了UCCET在声阻抗匹配、传输机理研究和换能器设计理论等方面面临的技术挑战。

波浪滑翔器被动扑翼机构推进效率分析

孙秀军, 刘金成, 桑宏强, 李灿

2021, 29(3): 265-271. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.003

[摘要](285) [PDF 689KB](216)

摘要:
波浪滑翔器的被动扑翼机构是为其提供前向驱动的核心模块, 其推进效率直接影响波浪滑翔器的前进速度和控位精度。文中搭建了完整的被动扑翼推进效率分析构架, 建立了被动扑翼推进运动计算流体力学(CFD)仿真模型, 重点对二级海况下的被动扑翼加载扭簧情况进行了仿真研究, 并对部分仿真数据加以试验验证。CFD仿真结果表明, 扭簧刚度对被动扑翼推进性能具有重要影响, 在二级海况下, 扭簧刚度为6 N·m·rad^-1时被动扑翼具有较高的推进效率和推进速度。CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势, CFD仿真模型可靠度较高, 对波浪滑翔器被动扑翼机构设计具有指导意义。

考虑模型误差的ROV抗饱和控制设计

薛乃耀, 刘鲲, 王冬姣, 叶家玮

2021, 29(3): 272-277. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.004

[摘要](209) [PDF 1009KB](111)

摘要:
为研究新型有缆开架式遥控水下航行器(ROV)的轨迹跟踪问题, 在径向基神经网络滑膜控制律基础上, 考虑推力约束条件, 提出一种变增益抗饱和辅助系统, 并通过李雅普诺夫稳定性相关定理证明了控制系统的稳定性。该系统充分考虑了ROV的实际作业工况, 利用MARLAB Simulik搭建仿真平台, 在轨迹跟踪仿真验证中引入建模误差、海流干扰、脐带缆作用力等因素影响。仿真结果表明, 加入抗饱和系统后, ROV进行轨迹跟踪时推进系统推力饱和持续时间降低27%, 各自由度的累计跟踪误差降低, 垂荡和横摇方向的跟踪误差大幅减少, 验证了新控制律的可靠性。

FCM-CV水平集算法在沉底小目标声呐图像分割中的应用

韩婷婷, 王璐瑶, 周天, 徐超, 张丽红, 李海森

2021, 29(3): 278-285. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.005

[摘要](182) [PDF 1062KB](137)

摘要:
针对沉底小目标高频声呐图像信混比低, 难以与背景分离的问题, 提出模糊聚类(FCM)算法与Chan-Vese(CV)水平集算法相结合的分割方法。该方法利用FCM算法得到的隶属度函数自动设定水平集模型曲线的初始演化位置, 解决了CV水平集分割因初始位置设置不当而无法得到准确分割结果的不足; 同时根据模糊聚类的结果, 对水平集演化的控制参数进行估计, 使得分割过程更加稳健。通过仿真数据及外场试验数据处理可知, 相较于FCM和马尔科夫随机场分割算法, 文中算法对斑点噪声不敏感, 可分割出完整的边界; 相较于常规CV水平集算法, 文中算法因粗分割后零水平集的设定更接近目标的边缘, 可以在较少迭代次数下即可获得更加精确的分割结果。

基于改进型ADRC算法的无人水面侦察艇轨迹跟踪

王晓慧, 黄刚, 丁洁, 岳光, 潘玉田

2021, 29(3): 286-292. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.006

[摘要](329) [PDF 494KB](93)

摘要:
针对当前无人水面侦察艇在面临复杂水域环境下出现的反应迟钝、稳定性欠佳以及参数调节繁杂等问题, 提出一种基于改进型自抗干扰控制(ADRC)算法的无人水面侦察艇轨迹跟踪方法。通过研究其控制系统, 构建改进型ADRC控制器构架, 并在ADRC算法中引入遗传变异结合粒子群优化的策略, 对ADRC控制器各参数进行初值初始化及全局参数寻优。仿真和实验结果对比可知, 文中方法与传统算法相比具有响应速度快、超调量小、误差低、轨迹跟踪精确度高等优势, 运用该算法的无人水面侦察艇在复杂水域环境下的轨迹跟踪效果良好, 行驶平稳。

基于LMI算法的永磁同步电机混沌最优控制

戴磊, 李洋洋, 尤钱亮, 魏海峰, 张懿

2021, 29(3): 293-298. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.007

[摘要](218) [PDF 498KB](90)

摘要:
永磁同步电机是水下航行器的重要组成部分, 其复杂的非线性行为会形成混沌运动, 导致电机的控制性能下降, 严重影响点击工作效率。文中对永磁同步电机运行系统的Hopf分岔及其混沌行为进行分析与控制, 首先将系统的物理模型进行无量纲化, 得到简化后的类混沌数学模型, 分析得出系统的Hopf分岔点是由外部输入参数ud和系统的不确定参数σ决定, 系统在达到临界分岔点后, 随着分岔参数γ的变化, 会产生连续的Hopf分岔现象并最终进入混沌状态。在此基础上, 构造了一种基于线性矩阵不等式(LMI)算法的自适应混沌控制器来控制系统的混沌运动。仿真验证可知, 在加入控制后, 系统原来的紊乱混沌状态能够有效地回到稳定平衡点。

基于单目视觉的水下机器人相对位姿精确控制

王晓鸣, 吴高升

2021, 29(3): 299-307. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.008

[摘要](257) [PDF 1137KB](109)

摘要:
针对水下机器人在实际作业中需要相对于特定的作业对象保持相对稳定且具有一定抗干扰能力的特点, 提出一种基于单目视觉位姿测量原理的水下机器人稳定性控制方法, 该方法的关键技术在于通过重投影法对水下机器人的三维位姿进行测量。以“观海ROV”为实验载体, 在实验水池中放置待观察目标, 利用水下机器人的前视摄像头作为单目视觉传感器, 建立实验验证系统。从实验结果所得到的位置数据表明: 采用基于单目视觉位姿测量原理控制方法的水下机器人能够在恒定水流冲击下相对于特定对象保持基本稳定, 可满足水下机器人在实际作业环境中的需求, 验证了文中方法的有效性。

仿鳐鱼水下航行器动态流体仿真

盛兆华, 杨朔

2021, 29(3): 308-312. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.009

[摘要](272) [PDF 803KB](174)

摘要:
具有中间鳍/对鳍(MPF)推进模式的仿生水下航行器, 因其优良的机动性、稳定性, 在海洋科考、海洋资源开发以及军事侦查领域具有明显的应用优势, 文中建立了MPF推进模式的典型代表——仿鳐鱼水下航行器外形轮廓和游动方程, 分析了仿生参数对其游动的影响, 并通过Fluent UDF编写游动方程, 实现仿鳐鱼水下航行器动态流体仿真。仿真结果表明: 仿鳐鱼鱼鳍波动形成旋向相反的尾涡并不断向后脱离, 提供向前推力, 为仿鳐鱼水下航行器设计提供技术参考。

水下反蛙人火箭弹六自由度弹道仿真

王金云, 王孟军, 周晖杰

2021, 29(3): 313-319. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.010

[摘要](176) [PDF 1071KB](118)

摘要:
水下火箭弹作为近海港口防御的一种新型预置武器, 具有速度高、杀伤力大、使用方便等优点, 可有效对抗敌方蛙人的侵扰。为深入探索其水下弹道航行特性, 以某型水下火箭弹为研究对象, 建立水动力学弹道运动模型, 基于VC++语言自主编程, 对水下火箭弹六自由度弹道航行特性进行仿真, 并通过水下发射试验对其航行稳定性进行验证。结果表明, 在一定初始攻角条件下, 初速为100 m/s的射弹, 4.3 s内速度衰减至65 m/s, 并趋于稳定; 弹道水平射程达到660 m, 射高突破37 m; 弹体俯仰角在4 s内由12°变化为–7°, 俯仰角速度3 s内有5°~ –8°的波动, 弹道倾角从初始10°变化为–12°, 攻角由5°变化为–6°, 这些参数均发生显著变化, 需在水下弹道优化设计中充分考虑。该方法可为新一代水下反蛙人预置武器弹道设计提供参考。

熔池温度对浸没反应射流结构的影响

严侃, 孔亮

2021, 29(3): 320-325. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.011

[摘要](182) [PDF 1044KB](54)

摘要:
以气-液浸没反应射流为能量来源的闭式循环动力系统在水下推进以及航空航天等领域具有广阔的应用前景。文中在Lee相变模型和涡耗散反应速率模型的基础上, 采用数值仿真方法研究了金属Li熔池温度对浸没反应射流结构的影响。研究结果表明, 文中数值仿真计算结果与实验符合较好,所采用的数值仿真方法可以较好地预测浸没反应射流过程; 气态氧化物气羽核心区基本不受熔池温度的影响, 而在高熔池温度下, 会有更多液态金属被蒸发, 并且随着冷凝驱动势的减小, 金属蒸汽的凝结速率也相应降低, 因而金属的蒸发速率和凝结速率共同决定金属蒸汽气羽的宏观尺寸。研究结果可为气-液射流反应器的设计和安全运行提供理论指导。

非对称加热条件下锅炉反应器蒸汽生成过程参数影响研究

马为峰, 路骏, 万荣华, 韩勇军

2021, 29(3): 326-332. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.012

[摘要](138) [PDF 609KB](81)

摘要:
针对鱼雷Li/SF6闭式循环动力系统锅炉反应器复杂物理化学过程中参数耦合、参数时变造成的系统稳定域度小等问题, 文中基于传热学理论, 采用分段式处理方法, 建立了锅炉反应器螺旋换热管流动换热模型, 对传热过程进行了数值仿真, 探讨了非对称加热条件下锅炉反应器入口工质温度、出口工质温度、出口工质压力、出口工质流量等参数的变化对蒸汽生成过程的影响规律。研究结果可为系统性能仿真和调节控制优化, 提升系统稳定域度提供支撑, 为锅炉反应器的工程设计、优化和试验验证提供理论参考, 对同类装置的研究和设计也具有一定的参考价值。

水声换能器防海生物附着方法及工艺研究

罗松, 宋坚, 刘宝军, 周昳慧, 梁黎

2021, 29(3): 333-337. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.013

[摘要](230) [PDF 804KB](102)

摘要:
针对海底固定基座安装应用环境的水声换能器防海生物附着需求, 分析了海生物生长环境特点及生活习性, 介绍了水声换能器防治海生物附着的常用方法, 从建立不利于海生物生存生长环境的角度, 提出了在水声换能器外部人为采取包敷、涂防海生物漆等综合性的防海生物附着措施。将有关方法和工艺措施应用在近海区域水下固定安装的水声换能器上, 可使水底高频430 kHz探测声呐的声换能器稳定检测信号达3年以上, 应用实践验证了文中方法的有效性。

鱼雷电磁兼容性问题分析及改进

亢凯, 王凯国, 潘进, 杨进候, 张静

2021, 29(3): 338-343. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.014

[摘要](244) [PDF 561KB](86)

摘要:
随着武器系统平台的电磁环境日益复杂, 对所装载的武器电磁兼容性(EMC)要求越来越高。针对依据GJB151A-1997要求进行鱼雷EMC试验时, 测试项CE102和RE102试验曲线均超出规定极限值的问题,为了使武器平台与鱼雷能够更好的匹配工作, 通过分析多平台使用条件下全雷系统的EMC改进案例, 对雷内电子组件的干扰源进行排查、定位, 得到雷内电磁辐射及传导频率特性, 并分别对鱼雷系统内部电缆、电源、雷内电子组件和壳体结构等采取屏蔽、滤波和接地等有效改进措施, 最终顺利通过该2项测试, 为后续鱼雷的EMC设计提供参考。

声自导鱼雷搜索航路威胁区域分析

赵向涛, 寇祝, 王佳婧, 石志军

2021, 29(3): 344-349. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.015

[摘要](250) [PDF 537KB](102)

摘要:
针对水面舰艇遭受声自导鱼雷攻击无法确定鱼雷航向问题, 给出了声自导鱼雷搜索航路威胁区的定义, 提出了威胁航向范围求解的迭代法和估算法。该方法从水面舰艇防御的角度出发, 在概略估计鱼雷位置及航速情况下, 直观地给出声自导鱼雷有效攻击航向范围, 从而确定鱼雷的威胁区, 为水面舰艇鱼雷防御决策提供理论依据。相比于以往仅凭经验判断来袭鱼雷信息, 论文方法可有效地缩小来袭鱼雷威胁区范围, 在舰艇火控系统中嵌入该算法可以实时判断并显示来袭鱼雷的威胁区, 从而提高水面舰艇水下拦截的效率。

鱼雷尾轴开伞冲击仿真及试验分析

沙琪, 徐新栋, 郭君

2021, 29(3): 350-356. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.016

[摘要](204) [PDF 2259KB](118)

摘要:
为解决鱼雷后段狭小空间内高强度尾轴设计难题, 以轻型鱼雷尾轴组件为研究对象, 利用Abaqus有限元软件开展静强度和振动冲击分析, 获得火箭助飞鱼雷飞行后期降落伞打开瞬间, 鱼雷尾轴组件的最大应力区域, 找出尾轴组件薄弱环节, 据此开展结构设计和工艺优化, 并对优化后的产品进行地面试验测试, 以验证优化设计的有效性。结果表明, 通过仿真分析与地面试验结合进行迭代优化, 可以提高鱼雷尾轴组合等精密结构件的设计精度和研制效率, 满足多种复杂工况下的使用要求。

来袭鱼雷弹道两种预测方法仿真分析

陈颜辉, 张永

2021, 29(3): 357-362. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.017

[摘要](272) [PDF 1395KB](99)

摘要:
对来袭鱼雷运动要素的掌握是水面舰艇制定鱼雷防御策略的重要依据。文中首先围绕鱼雷防御态势特征, 选择以“两方位一距离一速度”模型为基础分析鱼雷运动要素的解算原理, 并给出这种实际弹道预测法的仿真说明。其次, 分别归纳了潜射直航鱼雷、声自导鱼雷、尾流自导鱼雷的弹道预测模型以及线导鱼雷的线导导引模型, 并给出这种似然弹道预测法的仿真说明。最后, 围绕上述2种弹道预测方法进行了仿真比对, 从中提取出鱼雷弹道散布的综合求解规律。结果证明, 综合运用2种弹道预测法能够有效提高鱼雷弹道散布分析的准确性和客观性, 可为水面舰艇的鱼雷防御决策提供参考。

一种鱼雷加速度计零偏现场标定方法

阮卫, 郝喆, 宋喜发, 张秦南, 王立文, 国琳娜

2021, 29(3): 363-367. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.018

[摘要](181) [PDF 401KB](88)

摘要:
针对鱼雷惯性测量组合需定期拆卸标定的问题, 文中提出一种适用于鱼雷惯性测量组合的免拆卸标定方法。在静基座条件下, 以速度误差作为观测量建立卡尔曼滤波模型, 先估计现场失准角后估计天向加速度计零偏, 结合3个不同位置的姿态矩阵和天向加速度计零偏, 完成对惯性测量组合加速度计零偏的求解。仿真结果表明, 该方法有效可行, 可为鱼雷现场免拆卸标定提供借鉴。

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2021年第29卷第3期

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