水下无人系统学报

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张宁, 郭君, 尹韶平, 高智勇

2022, 30(2): 137-146. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.001

[摘要](3025) [PDF 413KB](131)

摘要:

为填补数字孪生技术在水下无人系统行业应用的空白, 文章首先对数字孪生技术的发展历程以及国内外发展现状进行了介绍, 分析了数字孪生技术的特点; 其次讨论了水下无人系统数字孪生技术的内涵与关键技术, 从标准体系、设计、试验、制造加工以及运行维护等不同角度对水下无人系统行业的数字孪生技术发展应用进行了展望; 最后结合泵台试验给出了水下无人系统数字孪生技术的典型应用案例。研究结果可为数字孪生技术在水下无人系统行业的进一步应用提供参考。

基于神经网络状态估计器的高速AUV强化学习控制

郭可建, 林晓波, 郝程鹏, 侯朝焕

2022, 30(2): 147-156. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.002

[摘要](3818) [HTML全文] (54) [PDF 1658KB](89)

摘要:
随着海洋研究与开发的日益扩大, 高速自主水下航行器(AUV)作为重要的无人水下工作平台受到广泛关注。然而由于其模型具有多输入多输出、强耦合欠驱动以及强非线性特性, 因此依赖精确模型的传统控制方法在实际应用中常受到限制。针对此问题, 文中提出一种不依赖精确模型的强化学习位姿控制器, 该控制器通过姿态环和位置环的配合不仅可以实现高速AUV的快速姿态稳定, 还可以更快地完成下潜到指定深度的动作; 同时, 为了降低获取用于训练强化学习控制器数据的成本, 结合神经网络技术提出了一种改进的高速AUV状态估计器, 该估计器可以在已知当前时刻AUV的状态以及所受控制量的情况下估计出下一时刻的状态, 从而为强化学习控制方法提供大量的训练数据。仿真实验结果表明, 估计器达到了较高的估计精度, 基于神经网络状态估计器训练得到的强化学习控制器可以完成原AUV的平稳快速控制, 从而验证了所提方法的可行性及有效性。

超空泡航行器滑行力模型分析与改进

周瑜, 孙明玮, 张建宏, 刘乐华, 陈增强

2022, 30(2): 157-164. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.003

[摘要](195) [PDF 609KB](30)

摘要:
Dzielski基准模型和扩展模型被广泛应用于超空泡航行器控制问题的研究, 但对此类模型之间的差异性与合理性的综合分析较少。针对此, 文中首先通过数值仿真得到Dzielski基准模型和扩展模型的状态响应与滑行力变化曲线, 对比分析了此类模型间的差异性与合理性。仿真结果表明, 空泡记忆效应会引起滑行力峰值的降低, 空泡偏移会轻微影响空泡与航行器的碰撞时间和滑行力的大小。其次, 对Balas模型中不合理的滑行力计算公式进行了改进。最后, 在Mao模型的基础上, 提出了一种新的模型, 并仿真验证了所提模型的合理性。文中研究可为后续超空泡航行器控制系统设计提供参考。

水下拖曳系统临界运动特性快速确定方法

张丹, 梁建通, 宋海升, 李孝伟, 谢少荣

2022, 30(2): 165-169. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.004

[摘要](225) [PDF 727KB](18)

摘要:
在进行水文要素的剖面测量时, 拖体需要做起伏运动, 预设轨迹的周期和振幅决定了测量精度和范围。为了实现拖曳系统的自主化控制, 确定预设轨迹的可行性条件十分重要。文中基于尾翼摆动角与拖体攻角的线性化假设, 通过反演拖曳系统的预设运动轨迹, 建立了尾翼摆动控制的动力学模型, 推导出尾翼摆动角的解析表达式。经典型算例验证, 结果与试验数据具有一致性。进一步, 采用建立的模型快速确定水下拖曳系统的临界运动特性, 以及母船前行速度与拖体起伏运动的协调关系, 研究表明可将斯特努哈尔数作为预设轨迹能否实现的必要限制条件之一, 该无量纲数与母船速度、预设轨迹的振幅和周期相关, 反映了运动的非定常性。在斯特努哈尔数小于0.22范围内, 可以通过控制尾翼摆动的方式, 自主化实现设定运行轨迹。

水下拖曳浮标系统要素匹配性分析

张镇, 张涛, 何文生, 朱敏, 邵永勇, 杨壮滔

2022, 30(2): 170-177. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.005

[摘要](185) [PDF 632KB](25)

摘要:
水下拖曳浮标系统是水下航行器隐蔽通信和定位的重要手段之一, 浮标、拖缆和拖带平台三要素之间的相互匹配对系统的使用至关重要。基于Ablow和Schechter提出的经典拖缆动力学分析方法, 以某水下拖曳浮标系统为研究对象, 研究分析了拖曳速度、拖带深度、浮标俯仰角等因素变化对拖缆位形和张力的影响; 以满足拖带安全性和最小化拖带负荷为目标, 建立了一种浮标、拖缆与拖带平台三要素匹配分析方法, 分析了不同工况下的最优匹配规律, 并提出了绞车及浮标相应的控制期望目标。研究结果表明: 存在浮标最优俯仰角, 使水下拖曳浮标系统满足拖带安全性、拖带负荷最小等要求, 且最优俯仰角随拖曳速度的减小、拖带深度的增大而逐渐增大。

潜艇涡流速度特性数值仿真

何心怡, 张迪洲, 祝琳, 陈双, 白一惠

2022, 30(2): 178-183. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.006

[摘要](205) [PDF 682KB](34)

摘要:
潜艇涡流以其持续时间长、尺度大、无法消除等特点, 成为各国海军探潜技术的研究热点。文中研究潜艇涡流特性及潜艇操纵产生的涡流运动特性, 探索提升反潜作战能力的新途径。通过对3型潜艇在相同深度(200 m)下的涡流运动速度与航速数值仿真, 以及相同航速(10 kn)下的涡流水平运动速度随深度变化数值仿真, 可以发现涡流运动速度受潜艇尺寸、运动速度、潜深及浮力等参数影响, 其中浮力为涡流运动速度的主要影响因素。文中研究可为潜艇涡流速度特性提供有力支撑。

基于板块元法的鱼雷声散射特性分析

曹浩, 樊书宏, 周晶

2022, 30(2): 184-189,196. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.007

[摘要](303) [PDF 1566KB](29)

摘要:
针对新型反鱼雷装备对来袭鱼雷声探测的需求, 开展了鱼雷物理结构体的高频声散射特性建模及仿真研究。利用板块元理论, 建立了鱼雷目标结构模型, 研究了鱼雷声散射特性分析计算方法, 分析了鱼雷目标声散射强度, 给出了鱼雷散射强度随声信号入射方位的变化特性。在此基础上, 分析了鱼雷目标声散射亮点特征, 仿真得到了鱼雷目标声散射亮点的时域及空间分布特性。研究结果可为反鱼雷装备精确探测提供参考。

基于图像轮廓特征的无人水面艇航海雷达目标检测修正方法

李立刚, 李勃然, 金久才, 刘德庆, 戴永寿

2022, 30(2): 190-196. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.008

[摘要](243) [PDF 898KB](28)

摘要:
航海雷达具有检测范围广、全天候工作等优点, 是无人水面艇障碍目标检测的主要手段。但是对于岛屿、货轮等大型目标, 航海雷达无法对其所在区域进行准确描述, 并且可能将其误判为多个分散的目标。为此, 文中结合雷达图像特点, 提出一种基于图像轮廓特征的航海雷达目标检测修正方法。首先对雷达图像进行预处理, 简化图像数据, 增强有关信息的可检测性。然后根据目标对应像素点坐标提取目标轮廓, 若不同目标对应同一轮廓, 则认为发生误判, 并将误判产生的多个分散目标合并为一个目标。最后借助目标轮廓包含的距离和方位特征参数对目标所在区域准确描述。试验测试结果表明, 该方法能有效解决大型目标误判问题, 并将航海雷达检测结果中的距离误差降低79%以上, 方位误差最大减少60%。

无人水下航行器未知环境轮廓构建方法

李杨, 于浩淼, 郭晨, 贾兆岩

2022, 30(2): 197-203. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.009

[摘要](183) [PDF 714KB](29)

摘要:
无人水下航行器(UUV)运行时所携带的多元测距声呐在水下环境获取到的数据置信度较低。因此, 采用均值漂移聚类算法对所获取到的数据进行预处理, 将异常数据与正常数据分为不同的数据类, 得到边界点的集合; 然后利用Alpha-Shapes算法将边界点连接成轮廓线; 并且为了满足UUV跟踪的理想路径需平滑的要求, 利用贝塞尔曲线对构建的轮廓线进行拟合; 最后, 利用控制方法来实现对所构建地图的跟踪, 从而解决了UUV在未知海洋环境下的地图构建问题。

基于CIELab和HIS空间的声呐图像伪彩色增强方法及质量评价

李秋菊, 徐海平, 苟春

2022, 30(2): 204-208,230. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.010

[摘要](173) [PDF 4099KB](31)

摘要:
现有声呐图像伪彩色增强方法只涉及到RGB颜色空间和HSV颜色空间。因此, 文中提出2种涉及CIELab空间和HIS空间的声呐图像伪彩色增强方法, 并对其增强后的图像进行质量评价。首先提出一种基于CIELab空间的声呐图像伪彩色增强方法, 该方法实时性好, 图像清晰, 层次丰富。而后结合大津法, 根据声呐图像的灰度分布特性, 提出一种基于HIS空间的自适应声呐图像伪彩色增强方法, 该方法自适应性强, 处理后的图像信息丰富。最后, 采用2种客观质量评价方法联合主观评价, 验证了文中2种增强方法的有效性。

水下钢缆拖拽发射鱼雷内弹道仿真

陈宗杨, 练永庆, 李昂

2022, 30(2): 209-215. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.011

[摘要](329) [PDF 640KB](26)

摘要:
针对现有无人水下航行器(UUV)发射鱼雷时出管速度低、发生启动故障后无法顺利出管以及作用在鱼雷上的瞬间推力较大等不足, 提出了结构简单且能与自航发射方案配套的水下钢缆拖拽发射鱼雷基本结构方案。在此基础上, 建立了水下钢缆拖拽发射鱼雷的内弹道模型, 其中包括发射气瓶气体状态模型、发射阀数学模型、气水缸数学模型、拖拽装置数学模型以及鱼雷运动数学模型。最后进行了发射过程仿真, 并对发射气瓶初始充气压力大小、UUV航速以及钢缆弹性等参数对鱼雷发射内弹道的影响进行了分析对比。仿真结果表明: 该方案满足UUV发射鱼雷的要求, 在原理上具备可行性, 且结构本身能够解决自航发射时鱼雷因故障无法顺利出管的应急抛射问题, 并在一定程度上减小了对鱼雷尾部结构强度的要求。

基于NSGA-II算法的燃气弹射内弹道参数优化建模

贾轩, 吴一帆, 段浩, 杨弓熠

2022, 30(2): 216-222. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.012

[摘要](189) [PDF 474KB](17)

摘要:
在经典弹射内弹道理论的基础上, 采用数值分析的方法对内弹道数学模型进行求解, 评估不同的内弹道参数对于内弹道性能的影响, 最终选择以燃速系数、燃速压强指数、虚拟质量系数和散热修正系数为优化变量, 以理论值和实验值的吻合程度为优化目标, 应用NSGA-II算法对内弹道参数进行优化, 得到了各优化变量的Pareto最优解集, 并采用最优折中解决策选择了合理的最优解。优化设计结果表明: 参数优化后内弹道的理论计算值与实验值吻合更好, 最大膛压和出管速度的理论计算值与实验值之间的误差更小。文中所用的优化方法能够有效提高内弹道数学模型的计算精度, 对于内弹道优化设计具有一定的指导意义。

永磁同步电机低速MTPA高动态响应控制方法

张源, 魏海峰, 张懿, 李垣江, 刘维亭

2022, 30(2): 223-230. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.013

[摘要](262) [PDF 823KB](19)

摘要:
水下航行器永磁同步电机(PMSM)在低速运行时需要具有快速的转矩电流动态响应能力来提高控制系统的操控性能。文中针对传统PMSM低速最大转矩电流比(MTPA)控制方法动态响应性能不佳的问题, 提出了一种MTPA低速高动态响应控制方法。该方法通过在速度外环使用分段式拟合算法、电流内环使用预测控制实现MTPA控制, 并提出了一种根据电机参数自动分段的算法。仿真和实验结果表明, 文中所提控制方法具有更快的动态响应速度。

基于新陈代谢GM(1, 1)-神经网络的锂离子电池贮存寿命研究

李炬晨, 胡欲立, 郝泽花, 张子正, 郑乙

2022, 30(2): 231-236. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.014

[摘要](663) [HTML全文] (41) [PDF 1205KB](22)

摘要:
现役鱼雷大多时间处于贮存状态, 而锂离子电池是其主要的动力能源, 所以针对锂离子电池的贮存寿命研究尤为重要。文中以18650型钴酸锂电池为研究对象, 通过开展加速寿命试验, 获得在不同应力条件下电池容量和内阻随时间的变化曲线, 并确定有利于缓解电池寿命衰减的贮存条件为: 温度25℃、电池荷电状态30%; 综合灰色预测方法及BP神经网络的优点, 采用新陈代谢灰色模型GM(1, 1)-神经网络方法对锂离子电池的容量进行预测, 经验证该组合预测模型比灰色预测模型和新陈代谢GM(1, 1)预测模型精度更高且更适用于电池寿命预测, 从而获取锂离子电池在不同应力条件下的贮存寿命, 进一步验证了有利于缓解电池寿命的贮存条件。

基于脱靶量散布的超空泡鱼雷命中概率研究

谢超, 周景军, 万亚民, 宋书龙, 王梦豪

2022, 30(2): 237-244,253. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.015

[摘要](233) [PDF 745KB](32)

摘要:
为评估超空泡鱼雷等直航鱼雷的作战效能, 明确其命中概率尤为重要。文中提出直航鱼雷的脱靶量解析形式, 直观地揭示了鱼雷距离目标最近时的散布规律, 同时考虑水面目标几何尺寸以及鱼雷毁伤半径, 建立了鱼雷命中目标的判定模型。进一步分析了从对目标探测到命中目标的直航鱼雷攻击全过程, 提取出过程中的误差来源, 并采用基于蒙特卡洛的统计方法对超空泡鱼雷命中概率进行评估。通过仿真试验分析了初始雷目距离、初始目标舷角和目标航速对命中概率的影响。结果表明, 超空泡鱼雷最佳射距在5 km以内, 在初始目标舷角为20°～150°之间具有更高的命中概率, 对低速目标的攻击优势主要体现在大舷角范围内。

面向海上发射任务的气象海洋无人观测系统设计与实现

牛向华, 朱文会, 孙秀军, 张鹏飞, 余江林, 桑宏强, 周莹, 李灿

2022, 30(2): 245-253. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.016

[摘要](194) [PDF 3328KB](35)

摘要:
2020年9月中旬, 我国在黄海海域成功实施了运载火箭海上发射任务。受限于远海海域气象海洋资料获取难度大, 实时性、分辨率低, 文章创新性地利用新型无人走航式监测平台搭载多种传感器, 为海上发射任务提供精细化气象海洋实况观测保障。首先通过实际应用需求分析, 设计了针对此次保障的海上观测实施技术方案, 选择波浪滑翔器作为观测平台, 搭载气象、水温和波浪等多种传感器, 采用定点运行观测模式, 使用北斗通信并设计相应数据传输和处理机制, 以满足气象海洋预报对实时观测数据的实际需求。其次通过数据综合分析验证了此次任务中该系统在实施气象海洋保障工作中的稳定性和可靠性。最后提出了针对海上气象海洋观测的几点思考, 为后续海上发射气象海洋保障任务提供参考。

DFB光纤激光水听器舷侧声障模块设计与实验验证

周璇, 宋文章, 黄俊斌, 顾宏灿, 赵宏琳, 陈思彤

2022, 30(2): 254-259. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.017

[摘要](169) [PDF 1305KB](23)

摘要:
文中结合某水下平台舷侧的实际需求, 基于分布反馈式(DFB)光纤激光水听器技术, 设计小尺度舷侧模块。仿真中采用分层介质中的弹性波模型建立声障板模型, 并对声障板合理选材, 制备了4阵元DFB光纤激光水听器舷侧模块, 并测试了舷侧模块的灵敏度。实验结果表明, 舷侧模块中水听器相对灵敏度提高, 响应相对平坦, 初步验证了设计方案的可行性。

基于CMSR法的电动力鱼雷实航工作可靠度综合评估

朱文振, 唐世轩, 谢勇

2022, 30(2): 260-264. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022.02.018

[摘要](168) [PDF 389KB](20)

摘要:
针对电动力鱼雷试验数据较少的问题, 提出基于修正极大似然与序贯压缩相结合(CMSR)的电动力鱼雷实航工作可靠度综合评估方法。通过分析串联系统可靠性评估方法优缺点, 结合改进型电动力鱼雷一次电池数量偏少、各分系统试验样本量不同的特点, 运用CMSR评估模型, 提出三串联系统可靠性试验方案和评估方法, 可得到较高置信水平的全雷实航工作可靠度评估结果, 具有较好的实用性。

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