水下无人系统学报

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徐雪寒, 孟庆浩, 刘科显, 井涛

2022, 30(1): 1-14. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.001

[摘要](246) [PDF 361KB](62)

摘要:
水下羽流相关研究在海洋资源开采及环境保护等方面有着重要意义。文中围绕水下羽流扩散建模与追踪方法研究, 对现有相关研究成果进行归纳, 从基础、方法以及应用等角度, 总结了水下羽流追踪的研究进展和发展趋势。全文包括4部分: 1) 介绍水下羽流分类和羽流追踪的应用背景; 2) 从扩散模型和仿真平台2个方面梳理羽流扩散建模的研究现状; 3) 将现有水下羽流追踪方法分为反应类方法、概率估计类方法和强化学习类方法3类, 对各类方法的研究进展进行归纳; 4) 讨论了水下羽流追踪研究未来的发展趋势。通过对已有研究成果进行总结, 为水下羽流追踪的进一步研究提供参考。

国外水声对抗器材发展现状与启示——潜用器材

唐波, 孟荻, 范文涛

2022, 30(1): 15-22. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.002

[摘要](430) [PDF 859KB](104)

摘要:
文章介绍了国外潜用水声对抗器材的发展现状, 研究了其尺寸、质量、机动速度、工作深度以及声学性能等主要性能指标的发展脉络, 提出了国外潜用水声器材对我国同类装备的启示: 1) 小型化趋势, 逐步缩小水声对抗器材尺寸, 减轻质量; 2) 持续提高机动能力、扩展新型功能; 3) 尽快适应舷外快速发射的使用方式; 4) 及时调整更大深度、更长时间工作的发展重点。相关研究成果值得我国潜用水声对抗器材发展借鉴。

内波吸引子几何形成条件及其对声场的影响

金晨凯, 李孝伟, 张丹, 李春欣, 谢少荣

2022, 30(1): 23-28. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.003

[摘要](155) [PDF 2870KB](35)

摘要:
特定海洋环境会产生内波吸引子现象, 从而诱导等温面的波动, 形成特殊的声速梯度场。对内波吸引子产生条件进行研究, 对开发新型水下航行器的通信和隐蔽方式具有积极意义。地形条件是引发内波吸引子形成的要素之一。文中基于有限体积法研究了二维重力场作用下不可压缩粘性盐溶液中, 形成稳定内波吸引子的几何约束条件, 并依据声速与温度的关系, 通过引入温度场控制方程, 研究了内波吸引子对声速场和声速梯度场的影响。研究表明, 对于近直角梯形截面的峡谷区域, 当存在微小扰动时, 海洋中会产生内波, 经多次反射后形成内波吸引子; 当峡谷水面宽度和深度比在1~1.3范围内, 存在可形成稳定的内波吸引子特定梯形截面, 同时声速梯度场也呈现出四边形构型, 可为水下航行器提供特定的通信和隐蔽空间。

基于交互式多模型卡尔曼滤波的AUV 超短基线跟踪算法

张晓飞, 辛明真, 隋海琛, 雷鹏, 柳义成, 阳凡林

2022, 30(1): 29-36. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.004

[摘要](222) [PDF 1314KB](64)

摘要:
在复杂海洋环境下, 利用超短基线对自主水下航行器(AUV)进行跟踪定位可能会受到各类误差的影响, 通常采用以最小均方误差为准则的卡尔曼滤波对动态定位数据进行处理。构建起与目标实际运动相匹配的运动模型, 是保证卡尔曼滤波精度和可靠性的重要基础, 而AUV具有机动性较强的特点, 往往难以先验性地确定单一的运动模型实现对所有运动状态的匹配。针对基于单模型卡尔曼滤波无法全程适应水下目标的所有运动状态的问题, 采用交互式多模型卡尔曼滤波方法处理AUV的超短基线跟踪数据, 运动模型之间通过概率矩阵转移来增强运动状态的适应性, 实验结果表明该算法在多模型集合构建合理的情况下, 其状态适应性优于单模型卡尔曼滤波算法。

一种基于SINS与LBL的水下隐蔽导航定位方法

陈柯宇, 黄南宇, 苏为, 程恩

2022, 30(1): 37-43. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.005

[摘要](175) [PDF 872KB](42)

摘要:
针对自主水下航行器(AUV)隐蔽航行需求, 文中设计了一种基于捷联式惯性导航系统(SINS)和长基线)的组合导航系统, 其中LBL信标按照固定顺序在不同时隙分别发送声信号, 在接收到声信号后通过SINS分别计算出每个虚拟信标的位置平移量, 并列出方程组解算出水声定位位置坐标。航行中可以通过LBL水声定位信息来校正SINS的导航误差, 而校正后的SINS位置信息可以为LBL定位提供更精确的虚拟信标平移量。在组合导航定位过程中, 通过融合节点冗余信息, 进行多点LBL定位, 从而提高定位精度; 同时利用历史冗余节点替代缺失节点, 保证正常量测更新。通过MATLAB仿真对组合导航系统进行验证, 结果表明, 基于SINS和LBL的AUV组合导航系统能在AUV隐蔽状态下, 充分抑制纯惯导误差, 提高导航定位精度, 节省系统能量。在利用冗余信息之后, 系统的导航精度、可靠性和容错性都得到进一步提高。

输入受限下欠驱动AUV轨迹跟踪滑模控制

李鑫滨, 王鹏, 骆曦, 潘洪涛

2022, 30(1): 44-53. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.006

[摘要](2722) [PDF 637KB](66)

摘要:
针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在外界干扰和输入受限下水平面轨迹跟踪问题, 提出了基于非线性干扰观测器和径向基函数(RBF)神经网络的滑模控制器。首先, 将欠驱动AUV运动学模型通过坐标变换转换为误差运动学模型镇定位置误差; 其次, 利用反步法设计艏摇角虚速度控制律, 镇定姿态误差; 然后采用非线性干扰观测器对时变海流扰动进行估计, 并通过滤波器估计虚拟控制律的导数, 避免了虚拟控制律求导引起的“微分爆炸”; 最后, 设计自适应RBF神经网络对欠驱动AUV实际输入进行补偿, 通过李雅普诺夫稳定性证明闭环跟踪误差所用信号一致有界。仿真验证了所设计控制器的有效性。

基于最小Snap的UUV轨迹优化方法

夏乾鑫, 程文鑫, 蔡卫军, 谢彬, 刘超维

2022, 30(1): 54-60. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.007

[摘要](256) [PDF 592KB](48)

摘要:
为了解决无人水下航行器(UUV)多项式轨迹大幅偏移原直线路径的问题, 保证其能平稳且安全地通过障碍物区域, 提出了一种基于7阶最小Snap的UUV多项式轨迹优化方法。首先在A*算法生成的初始路径基础上, 根据预瞄线原理选取轨迹优化的参考点, 然后拟合2种不同等式约束下的最小Snap轨迹,并且在具有连续约束的轨迹中增加中间平衡点进行偏移优化, 同时设定评估指标来评价优化前后的偏移程度, 最后在构建的障碍物环境中进行仿真试验, 得到在时间一致约束下的3种不同轨迹。仿真结果表明, 0约束下的轨迹虽然具有无碰撞保证, 但是依然为折线轨迹, 具有连续约束的轨迹虽然较平滑, 但存在较大偏移, 优化后的方法可以生成一条平滑且偏移量更小的轨迹。

永磁同步电机分段变交轴电压弱磁控制方法

梁裕, 刘维亭, 魏海峰, 张懿, 李垣江

2022, 30(1): 61-67. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.008

[摘要](162) [PDF 1784KB](33)

摘要:
水面生命探测机器人等救援探测设备在运行状态下, 其供电电压会发生下降, 为提高其机动性和稳定性, 可进入弱磁扩速状态。在供电电压恒定的情况下, 通过变交轴电压法的单电流调节器控制, 可有效避免双电流调节器造成的控制系统复杂化, 以及系统失控和控制效率过低等问题, 实现结构简单、控制安全和方便的效果。文中改进了弱磁控制系统的反馈环节和变交轴电压给定方式, 增加了限幅处理, 提出一种交轴电压给定方式, 将电机弱磁过程划分为恒功率弱磁和深度弱磁2个部分, 分段实时调节交轴电压, 使电机在深度弱磁状态下鲁棒性更强, 提高电机高转速下的稳定性。通过Simulink仿真及实验数据分析, 证实了该控制方法的可靠性。

基于泵喷整流机理的螺旋桨空化抑制研究

赵晓宇, 武天龙, 林兴华, 武建国, 张敏革

2022, 30(1): 68-77. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.009

[摘要](80) [PDF 4886KB](29)

摘要:

为抑制水下推进器螺旋桨空化的形成, 提高其水动力性能, 基于泵喷整流机理, 以导管螺旋桨推进器为研究对象, 分别设置前置定子和后置定子, 利用计算流体力学仿真分析和实验的方法, 研究了前、后定子对导管推进器的空化抑制、扭矩平衡及推进效率等方面的影响。研究结果表明, 前置定子对空化抑制效果明显, 相对弯度对提高推进效率的影响显著, 能够平衡部分横滚扭矩; 后置定子对抑制螺旋桨尾流区的空化效果明显, 剖面弦径比和安装位置对提高推进器效率和扭矩平衡具有最优值。因此可以通过在导管螺旋桨上加装合适的前后定子, 降低螺旋桨的噪声等级, 优化螺旋桨的空化性能, 提高水动力性能, 为类泵喷推进器的结构设计提供参考。

面向无人艇雷达图像的连通区域标记改进算法

潘选任, 王冬姣, 叶家玮

2022, 30(1): 78-84. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.010

[摘要](144) [PDF 1276KB](36)

摘要:
搭载雷达的无人艇在水域中航行时, 通过雷达扫描水域附近的环境以识别无人艇周围的障碍物, 为了区分雷达图像中的障碍物, 通常采用连通区域标记算法对不同障碍物进行标记。由于杂波对雷达成像的干扰, 造成雷达图像中像素点增加, 使用常见的算法处理图像时效果不佳, 为此, 提出一种改进算法, 在常见算法的基础上增加去除杂波像素点的功能, 并标记出图像中的最大障碍物。经过实验分析后可知, 相比于改进前的算法, 改进后的算法减少了标记的区域数量, 处理后的雷达图像更加平滑, 便于无人艇对最大障碍物进行预警以及采取合理的避碰措施。

脉冲大负载回路传导干扰机理分析

耿志鹏, 李建辰, 刘超维, 林小川

2022, 30(1): 85-93. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.011

[摘要](129) [PDF 782KB](31)

摘要:
文中针对水下航行器紧密空间内脉冲大负载回路传导干扰开展时域仿真研究。基于实际应用电路的工作原理, 建立了可对回路电源线上传导干扰进行仿真研究的时域电路模型。通过对干扰来源的分析, 分别建立了来自发电机整流系统和脉冲大负载2个不同干扰来源的简化电路模型, 利用线路阻抗稳定网络获得共差模干扰信号的流通回路, 并获得共差模干扰信号的时域波形及频谱特性曲线。通过参数调整对干扰信号波形仿真, 可分析该参数对传导干扰噪声的影响, 为进一步采取传导干扰抑制措施提供参考。

水下非正交声学角反射器声散射特性研究

谢涛涛, 罗祎, 肖大为

2022, 30(1): 94-101. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.012

[摘要](109) [PDF 688KB](29)

摘要:
水下角反射器具有较强的远场声散射特性, 由于存在生产装配误差, 标准正交金属角反射器无法满足各板面绝对垂直, 生产误差是。文中研究非正交角反射器的声散射特性, 利用夹逼定理思想改变标准角反射器平板之间的夹角为°、85°和0°, 并进行定性分析采用结构建模软件NSYS依次对非正交二面角、三面角反射器进行模型构建及网格划分再利用声学仿真软件YSNOISE根据结构有限元+流体边界元的方法对其远场声散射特性进行仿真, 并与标准正交角反射器在相同的载荷条件与声场条件下的声散射特性进行对比, 得到声波不同入射角度下的目标声散射强度随入射声波频率变化规律。仿真结果表明, 正交角反射器声散射特性优于非正交角反射器, 正交二面角反射器优于三面角反射器, 二面角反射器生产误差在°以内不会对声散射特性造成实质性影响。

基于能量变化的水下航行器声引信被动检测

张俊, 李荣融, 朱健, 王明洲

2022, 30(1): 102-108. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.013

[摘要](130) [PDF 528KB](54)

摘要:
针对水下航行器对运动目标拦截末程声引信实时有效检测问题, 利用水下航行器所接收目标的辐射噪声能量快速变化特性, 提出了一种水下航行器声引信被动检测方法。通过快速傅里叶变换对接收的目标辐射噪声进行转换, 在频域实现频带内能量计算, 得到信号能量变化曲线, 利用设计的滤波器对能量曲线进行平滑处理, 并计算曲线斜率。仿真分析与实测数据处理结果表明, 信号能量曲线斜率能有效地反映水下航行器与目标交汇过程中声引信接收噪声的能量变化特点, 可以作为交汇最短距离和引信输出最佳时刻的重要判据。

功率放大电路储能电容参数优化分析

张耀友, 陈亚林, 张奎, 程学峰, 王旭

2022, 30(1): 109-114. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.014

[摘要](192) [PDF 1914KB](30)

摘要:
水声探测设备电磁兼容(EMI)滤波器用于抑制功率电源干扰, 降低系统电噪声, 提高系统探测性能, 与功率放大器的工作稳定性密切相关。文中通过在EMI滤波器输出端并接储能电容, 以解决发射稳定性问题, 优化探测系统电磁环境。建立EMI滤波器、功率放大电路及其负载模型, 分析储能电容值对功率放大电路的影响, 提出储能电容参数选取方法。搭建了原理电路, 对所建模型及电容选取方法进行实验验证, 以证明模型及电容选取方法的正确性。实验结果表明, 选择水下探测设备EMI滤波器储能电容时, 使用文章所建模型能够计算出满足功放要求的最小储能电容值, 在成本、体积和计算最小容值允许的情况下, 选择容值较大的储能电容可提高功放供电品质。

水下无人平台动态布放UUV过程水动力特性

杨壮滔, 张镇, 何文生, 邵永勇, 赵荣华, 马滇滨

2022, 30(1): 115-121. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.015

[摘要](308) [PDF 1174KB](66)

摘要:
无人水下航行器(UUV)在无人平台动态布放时易受平台航行的干扰, 因此对水下无人平台动态布放UUV过程水动力特性研究极为重要。文中基于雷诺平均法和湍流模型, 使用重叠网格并结合多参考系模型, 建立了一种适用于研究动态布放与双体分离的数值水池。通过开展典型算例研究, 将仿真结果与标模试验结果进行对比, 结果表明: 该方法仿真误差小于8%, 精度满足工程应用需求。进一步使用该方法对大型水下无人航行平台动态布放UUV进行仿真, 对该状态下UUV水动力参数进行预报, 并与自由航行状态参数进行对比, 结果表明: 布放状态下, UUV操作性较自由状态明显减弱, 对布放过程与控制策略设计具有一定的指导意义。

基于模糊故障树的潜标系统布放回收风险评估

杨宇, 杨伟丙, 李宸尧, 蔡颂

2022, 30(1): 122-127. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.016

[摘要](158) [PDF 391KB](33)

摘要:
针对海洋环境监测潜标系统布放回收成功率不高的问题, 结合相关文献及专家意见, 分析潜标系统布放回收过程潜在风险源, 基于模糊故障树分析法获得风险基本事件与潜标系统布放回收事故间的关联关系, 并对潜标系统在布放回收过程中发生事故的可能性进行定量分析, 获得各基本事件的发生概率和关键重要度, 进而诊断潜标布放回收过程中的关键风险源, 从而提出相应的预防措施以提高潜标系统布放回收成功率。仿真结果表明, 基于模糊故障树分析法能够获得潜标系统布放回收事故发生的概率和关键风险源; 发生概率较高的基本事件均与潜标系统布放阶段有关联; 关键重要度较高的基本事件发生概率也较高。该项研究对海洋环境监测潜标系统的设计及其布放回收风险防控具有一定的参考价值。

多平台鱼雷可靠性试验剖面设计方法

郭勍, 庞多, 刘小西, 李荣融

2022, 30(1): 128-134. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.017

[摘要](144) [PDF 523KB](41)

摘要:
针对复杂作战环境下多平台鱼雷的可靠性验证和评估难点, 文中提出了一种多平台使用鱼雷的实航可靠性试验剖面设计方法。该方法从鱼雷使用任务要求出发, 系统梳理出管装发射、空投发射以及助飞发射等3种平台发射鱼雷的实航全过程任务剖面, 综合分析了鱼雷各实航任务剖面的工作环境应力和诱发环境应力类型; 进一步提出了鱼雷实航可靠性试验的环境应力分析流程, 该流程结合鱼雷历史故障分析, 确定了实航可靠性验证中需考虑的综合环境应力条件, 并提出了将环境载荷谱转换为鱼雷实航可靠性试验剖面的方法。文中所提方法可有效指导鱼雷实航可靠性实验验证工作, 以降低湖海试验风险, 同时为制定多平台使用的鱼雷可靠性试验剖面和方案提供参考。

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