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2024年  第32卷  第1期

新型海上无人装备专栏
基于黑潮流场背景的水下滑翔机运动控制仿真
马玉印, 王岩峰, 官晟, 王娜, 丁军航
2024, 32(1): 1-7. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0086
摘要:
近年来, 水下滑翔机已广泛应用于各种海洋观测领域, 但在对黑潮等强流进行观测时, 其运动轨迹往往会受到严重影响, 因此文中针对黑潮流域内水下滑翔机运动轨迹控制问题进行研究。首先, 以“海燕II”为研究对象, 根据动量和动量矩定理建立了其考虑黑潮的动力学模型; 然后将HYCOM黑潮区域数据作为干扰, 其特点是黑潮流速的大小与方向都会随着位置的变化而改变, 并利用Simulink对强流影响下的“海燕II”运动轨迹进行了仿真; 最后, 将径向基函数(RBF)神经网络与常规比例-积分-微分(PID)控制器相结合, 对“海燕II”的偏航与纵倾运动进行控制。仿真结果表明RBF-PID控制器可以在一定程度上提高“海燕II”在黑潮区域运动的跟踪精度, 增强抵抗黑潮干扰的能力, 可为在强流影响下的水下滑翔机轨迹控制提供参考。
水下滑翔机轻量化建模及执行器约束下非线性MPC控制器设计
王洁茹, 李崇, 綦声波, 赵圆圆
2024, 32(1): 8-17. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0042
摘要:
针对现有水下滑翔机模型非线性程度和维度过高以及难以设计有效的工程化控制器的问题, 首先根据水下滑翔机的运动机构组成及工作原理, 忽略建模过程中的次要影响因素, 对水下滑翔机进行轻量化建模以降低模型非线性度及复杂度, 并通过对比验证证明了轻量化模型的有效性。随后, 针对纵垂面运动进一步精简动力学方程, 发挥该模型维度低、计算量小的优点, 引入状态和控制量的实际约束, 设计了贴合实际的实时线性化模型预测姿态控制算法。数值仿真结果证明, 在±17.4°和±22.5°等水下滑翔机常见工况下, 所提出的基于轻量化模型的控制算法可有效快速追踪期望姿态, 且上升时间和稳态调节时间均比传统控制器提高70%以上。
水下声学滑翔机实时探测通信系统及其近海试验
田德艳, 张小川, 张文清, 孙芹东, 王超
2024, 32(1): 18-24. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0020
摘要:
针对水下声学滑翔机在执行水下观探测任务过程中, 需等待当前剖面滑翔结束上浮至水面进行信息交互, 无法实时回传数据信息的问题,文中提出一种水下声学滑翔机探测通信系统, 利用水声通信技术将水下声学滑翔机探测到的数据信息发送给波浪滑翔器, 其作为通信中继可将数据信息透明转发至岸基中心, 从而实现近似实时的探测通信数据传输。文中介绍了水下声学滑翔机探测通信系统的结构组成和信息传输链路, 着重介绍了水下声学滑翔机的探测通信青岛外海试验情况, 并对试验数据进行处理分析。试验验证了水下声学滑翔机探测通信系统的正确性和可行性, 为后续国内水下无人平台集群协作及编队组网应用提供参考。
双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究
刘健, 周广礼, 彭嘉澍, 朱猛, 李国庆, 余祖耀
2024, 32(1): 25-31. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0150
摘要:
混合驱动水下滑翔机虽兼具典型水下滑翔机及传统航行器的优点, 但存在能耗高、不利回收等缺点, 且在快速推进模式下, 滑翔翼的存在不仅会增加航行阻力, 降低航行稳定性, 也不利于滑翔机回收布放。针对此, 提出一种双壳体混合驱动水下滑翔机, 其滑翔翼与传统固定水平翼不同之处在于滑翔机可根据实际需求进行收放, 以实现对能源的合理分配, 从而提高水下滑翔机的综合航行性能。此外, 详细介绍了该滑翔机的工作模式、系统组成以及滑翔翼收放原理, 并设计了一种蜗轮蜗杆滑翔翼收放装置, 建立相应的收放机构技术方案, 在此基础上通过数值仿真方法进行了滑翔翼水动力性能分析, 得到了合理的机载配置方案。
仿牛鼻鲼机器鱼倒游性能胸鳍结构设计与实验
李博, 余应明, 曹永辉, 郝艺伟, 潘光, 曹勇
2024, 32(1): 32-39. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0157
摘要:
现有基于摆动胸鳍推进方式的机器鱼有很多突出特点, 特别是前向游动稳定性, 但倒游性能研究不足, 因此文中针对性地讨论摆动胸鳍推进模式的仿牛鼻鲼机器鱼倒游水动力性能。分别设计了完整胸鳍结构与分体胸鳍结构, 通过对比实验测试验证了分体胸鳍结构较完整胸鳍结构倒游推力的优越性, 通过推力和电流的比值进一步分析能耗转化效率。实验研究了前游和倒游推力与幅值和频率变化之间的关系, 并且通过采集的电流数据, 整理出2种胸鳍结构在前游和倒游工况下的推力等效效率与幅值和频率变化关系曲线; 分析了2种胸鳍结构产生推力及推力等效效率的原因。实验结果表明: 前游工况下, 2种胸鳍推力值接近, 倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力增加明显, 最大可达0.22 N; 前游工况下, 分体胸鳍结构推力等效效率较完整胸鳍稍差, 倒游工况下, 随着幅值和频率的增加, 分体胸鳍结构倒游推力等效效率有显著提升。文中对分体胸鳍结构的设计为探究基于摆旋机构推进机器鱼倒游性能提供了参考。
仿生机器蝠鲼动力学建模及试验研究
陈国军, 林羊龙, 金俊, 陈巍, 杨雪
2024, 32(1): 40-47. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0107
摘要:
仿生机器蝠鲼独特的胸鳍摆动推进方式更适合风浪干扰环境下长航时水下作业需求, 国内外已经开展了相关研究, 但目前仿生机器蝠鲼研究中存在驱动能力弱、控制精度低、仿生效果差等问题。文中以蝠鲼为仿生原型, 分析其生物学特性和运动机理, 构建运动学模型和动力学模型, 为仿生机器蝠鲼的系统设计提供了理论依据, 设计了机械结构和控制系统, 通过模拟波浪干扰环境下的直线前游、原地转弯和动态沉浮等试验, 测试了仿生机器蝠鲼在复杂环境下的性能, 验证了仿生机器蝠鲼的运动性能和应用前景。
基于模糊滑模控制的直驱式波浪发电装置最大功率控制方法
范新宇, 孟昊
2024, 32(1): 48-56. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0114
摘要:
海洋波浪能是一种新型清洁能源, 为提高直驱式波浪发电系统的发电功率和波浪能转换效率, 针对目前普遍使用的比例-积分-微分(PID)控制方法存在输出纹波较大、系统稳定性较差的问题, 提出基于模糊滑模控制的最大功率控制方法, 根据运行状态实时调整趋近律参数, 在实现最大功率跟踪的同时削弱输出纹波, 减小跟踪误差, 提高系统控制品质。文中以永磁直线发电机(PMLG)作为发电装置, 建立系统动力学模型, 并通过快速傅里叶变换方法预估不规则波浪主频, 设计满足最大功率策略的期望电流跟踪曲线; 在此基础上, 将常规PID、滑模控制方法与所提出的模糊滑模最大功率控制方法进行仿真对比, 结果表明: 模糊滑模控制方法在功率上有所提升且具有更好的准确性和稳定性。
波浪环境下无人水面艇改进MFAC节能控制方法
魏佳广, 张拓圣, 辛筠炜, 李怀亮, 张西伟
2024, 32(1): 57-65. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0040
摘要:
无人水面艇在运动过程中容易受到环境干扰的影响, 尤其在受到波浪干扰后会导致其运动控制偏离期望路径, 进而造成能量浪费。针对波浪环境下固定参数控制器对环境适应能力较弱的问题, 将模糊控制方法与重定义无模型自适应控制方法相结合, 设计了一种模糊重定义无模型自适应控制(FRMFAC)算法, 该算法可以根据不同波浪的干扰情况自行调整控制参数; 同时, 采用视线法与FRMFAC算法对无人艇进行路径跟随控制;最后, 通过与固定参数控制方法进行对比试验, 验证了该算法的有效性和节能效果。对比仿真结果可知, 使用可变参数的控制方法可以在有效提高无人艇对环境适应能力的同时起到节能效果。
基于数据融合的无人帆船真风计算方法
何成龙, 迟书凯, 宇文国朴, 胡新遥, 魏鹏飞, 黎明
2024, 32(1): 66-78. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0017
摘要:
针对无人帆船真风获取困难且所用风传感器受帆船姿态影响的问题, 提出了一种基于姿态信息、相对风和航行风融合的无人帆船真风计算方法。首先利用姿态仪获得帆船的俯仰角和横滚角, 通过空间坐标旋转变换矫正相对风测量结果; 其次利用卡尔曼滤波算法对航行风和矫正后的相对风进行滤波; 最后利用扩展卡尔曼滤波进行真风融合计算。实验证明, 该方法能够有效抑制帆船运动对风测量的影响, 准确提取真风风速和风向, 满足无人帆船航行控制需求。
基于多智能体深度强化学习的无人艇集群博弈对抗研究
于长东, 刘新阳, 陈聪, 刘殿勇, 梁霄
2024, 32(1): 79-86. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0159
摘要:
基于未来现代化海上作战背景, 提出了利用多智能体深度强化学习方案来完成无人艇群博弈对抗中的协同围捕任务。首先, 根据不同的作战模式和应用场景, 提出基于分布式执行的多智能体深度确定性策略梯度算法, 并对其原理进行了介绍; 其次, 模拟具体作战场景平台, 设计多智能体网络模型、奖励函数机制以及训练策略。实验结果表明, 文中方法可以有效应对敌方无人艇的协同围捕决策问题, 在不同作战场景下具有较高的效率, 为未来复杂作战场景下无人艇智能决策研究提供理论参考价值。
研究与应用
水下S-CO2循环部分进气轴/径向涡轮机对比研究
王瀚伟, 姜晓鹏, 罗凯, 张佳楠, 党建军, 秦侃
2024, 32(1): 87-96. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0037
摘要:
将超临界二氧化碳(S-CO2)循环动力系统合理应用于无人水下航行器(UUV), 有助于解决现有 UUV 蒸汽动力循环系统尤其是针对小功率等级应用效率低的问题。为合理选型水下 S-CO2系统涡轮机, 结合损失模型的一维方法获得了设计空间内的最佳几何参数, 并基于 RANS 方程的三维数值仿真方法验证了一维设计方法的合理性, 进一步对比分析了轴/径向涡轮机的气动性能及流动特性。结果表明, 设计工况下径向涡轮机内效率比轴向涡轮机高5.41%, 但尺寸较大, 约为轴向涡轮机的2倍; 径向涡轮机的主要损失集中在喷管和转子非工作段, 而轴向涡轮机则主要为转子处产生的二次流损失。通过变工况分析发现, 轴向涡轮机更适用于低速比工况, 但在同一转速下径向涡轮机效率更高。文中研究结果可为应用于UUV的S-CO2系统动力主机的研制提供参考。
基于通信载荷声纹特征的身份认证方法
陈露, 赵德鑫, 王俊, 高虹, 陈迎亮
2024, 32(1): 97-104. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0027
摘要:
水声通信网络安全是水下通信进行信息共享和协同作业的重要保障, 现有技术主要研究认证协议和数据加密, 注重提高网络的安全性, 忽略了网络的效率和能耗问题。为避免上述方法带来的网络拥堵, 受移动智能设备等领域研究启发, 提出将声纹认证融入水下通信网络的身份认证系统, 设计了一种基于通信载荷声纹特征的识别方法。利用注意力机制, 融合非线性倒谱和相位谱特征, 以降低复杂海洋环境噪声的影响, 并通过AlexNet网络进行目标识别。为验证该方法的有效性, 通过采集多种水声通信信号, 检验文中声纹特征识别的差异性和有效性, 论证了文中方法的可行性和可靠性。文中研究可为解决水声通信网络的身份认证问题提供新思路, 对增强水声通信网络的安全、实现高质量的信息共享和高效率的协同控制提供一定参考。
水下拖曳系统拖缆末端不确定性量化分析
程顺钊, 汪俊, 梁晓锋, 王健
2024, 32(1): 105-113. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0085
摘要:
在多变的海洋环境中, 水下拖曳系统拖缆优化设计与拖体精确控制的关键在于拖缆末端不确定性的量化。针对传统不确定性量化方法蒙特卡罗(MC)法计算成本高、精度低的问题, 提出一种基于多项式混沌(PC)的拖缆末端不确定性量化方法。利用拉丁超立方采样获取拖缆参数的样本集, 并代入集中质量法模型求得拖缆末端位置坐标。通过PC方法生成拖缆末端响应的代理模型, 根据正交多项式的特点量化拖缆末端的不确定性, 同时与MC方法进行对比。结果表明: 相比于MC方法, PC方法的计算结果关于样本数量的收敛速度更快, 精度更高; 运动响应不确定性与拖缆轴向长度近似正比例关系; 缆长增大将导致末端的不确定性增大, 且增大趋势逐渐平缓; 拖缆参数不确定性一定时, 增大母船航速有助于提高拖体在高度上的稳定性。PC方法的准确性和高效性得到验证。同时, 拖缆末端不确定性量化分析结果可为相关工程问题提供指导。
鱼类叉状尾鳍效率转捩点水动力性能研究
熊仲营, 刘越尧
2024, 32(1): 114-123. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0066
摘要:
鲔科鱼类具有较高的游动速度和游动效率, 因此成为了仿生机器鱼的理想生物原型。为了研究鲔科鱼类叉状尾鳍效率转捩点的水动力特征, 针对推力和功耗的源项进行重点分析。尾鳍模型采用了相同的表面面积、展弦比和叉长。为了统一尾鳍形状的尺度, 采用扫掠角用于表征不同的叉状尾鳍平面结构。研究发现鲔科鱼类尾鳍扫掠角的增加弱化了尾鳍的有效面积, 导致了尾鳍摆动时推动流体向下游运动而受到的反作用力降低, 因此尾鳍的推进能力也会随之衰退。另外, 扫掠角的增加也引起了前缘涡强度的增加和前缘涡的发展, 从而造成了更大的涡增推力。然而, 过分增加扫掠角尽管存在功耗下降的优势, 但也引起推力和水动力效率的下降, 特别是对于高斯特劳哈尔数的情况。通过对推力的源项进行分析发现扫掠角对附加质量力和涡增推力存在相反的作用机制。
Bellhop模型在水声网络仿真中的实现和应用
刘奇佩, 刘琨, 罗逸豪, 吴鑫莹, 周河宇
2024, 32(1): 124-129. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0015
摘要:
随着水声技术的发展, 水声网络(UANs)因其在海洋监视、灾害预警和海洋安全等领域的表现而备受关注。水声信道是影响UANs性能的重要因素之一, 其复杂特性直接影响着UANs相关协议的前期设计和评估, 对于协议走向实际应用至关重要。有别于传统理论模型, Bellhop水声信道模型通过跟踪射线计算海洋声场, 提供了一种更准确的获得不同海洋环境下信道特性的方法, 但该方法不能直接用于网络仿真。针对此, 文中在目前主流的网络仿真平台NS3上构建了基于Bellhop的水声信道模型, 将高斯射线模型用于水声网络仿真。对比结果表明, 该模型能够有效仿真声信号在水下的传播特性, 可为实际UANs协议开发提供参考。
高速水下航行器低比转速轴流推进泵设计方法
张子若, 罗凯, 秦侃
2024, 32(1): 130-138. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0036
摘要:
对于水下航行器轴流泵喷水推进系统, 现有升力法设计的高比转速轴流泵无法满足在浅水高速工况下正常工作的需求, 为解决这一问题, 提出一种针对低比转速轴流泵的设计方法。考虑所选NACA66a=0.8翼型的叶栅特性, 通过改变攻角和升力系数等参数的设计关系,建立适用于高航速工况的轴流泵模型, 并运用SST k-ω 湍流模型和多重参考系模型对设计泵的流场运动情况进行仿真。结果表明: 设计工况下, 设计泵的扬程和水力效率与设计值误差均控制在8%以内, 同时测试了设计泵在不同水深下的抗空化性能, 进一步探索设计泵工作的最小航深。
幅相误差对体积阵MVDR波束形成的影响
黄燕, 焦君圣, 郭世旭, 赵鹏
2024, 32(1): 139-146. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0077
摘要:
体积阵是一种由多个水听器组成的立体阵列, 能够增大潜标接收基阵的孔径, 获得较大的空间增益, 工程中多将其制作成具有收合、展开功能的阵列应用于低频吊放声呐。由于各水听器通道内器件参数和幅度增益不一致, 体积阵的每个阵元接收到的信号之间存在幅相误差。文中通过建立存在幅相误差时的双圆环体积阵模型, 从统计学角度分析了幅相误差对其协方差矩阵、最小方差无畸变(MVDR)波束形成器的输出信噪比(SNR)、阵增益以及方位估计精度的影响。计算机仿真结果表明, 阵列幅相误差的存在会导致MVDR波束形成器的输出SNR和阵增益降低; 对于相位误差而言, 当输入SNR在−5 dB以上时, 这种影响随输入SNR的增大越来越明显; 对于幅度误差而言, 当输入SNR在−10 dB以上时, 幅度误差对MVDR波束形成器的输出SNR和阵增益的影响会更显著; 并且, 相比于幅度误差, MVDR波束形成的方位估计精度对相位误差更加敏感。
UUV变截面自航发射管线型优化仿真分析
周杰, 马亮, 衡辉
2024, 32(1): 147-151. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0089
摘要:
为设计适用于无人水下航行器(UUV)变截面的自航发射装置, 文中基于电动力鱼雷推力模型和自航发射过程受力模型, 分析鱼雷自航发射过程中所受的推力、流体阻力、沿程阻力和局部阻力, 依据运动学方程, 建立鱼雷自航发射数学模型, 依据数学模型建立仿真程序计算出管速度, 以出管速度为关键指标优化UUV变截面自航发射管线型。结合变截面发射管结构特点和设计需求, 确定发射管各段长度和直径作为约束条件, 进而建立优化问题的数学表达式,为加快收敛, 采用自适应变异概率的遗传算法进行发射管线型寻优计算, 进行100代仿真计算, 比较出管速度最终得出优化结果, 以结果为依据绘制了自航发射管最优线型, 对探索UUV变截面发射技术进行了有益尝试, 为变截面自航发射管设计提供了理论依据。
跨介质航行器多体分离特性分析
汪帅, 董萌, 王升
2024, 32(1): 152-157. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0022
摘要:
结合计算流体力学数值仿真和动力学模型仿真对跨介质航行器水下分离舱张开特性进行了研究, 重点分析了分离舱在分离前后不同状态下所受的流体动力。分析结果表明: 1) 在合适外形下, 分离舱可仅在水动力作用下完成与航行器的分离; 2) 分离舱受力主要受张开角大小及张开角速度影响, 不同张开角下的分离力矩产生主要机制不同, 小张开角时分离舱张开主要依靠外表面分离区低压所产生的内外压差, 流体力矩主要依靠分离舱前段产生, 大张开角时则主要依靠水流冲击引起的法向力, 力矩主要依靠分离舱中后段产生; 3) 分离舱张开角较小时分离舱所受流体阻尼力矩极大, 导致分离初始阶段分离舱难以迅速张开, 随着张开角变大, 流体阻尼力矩系数逐渐减小, 分离舱张开角速度迅速变大。因此, 在设计分离舱水下分离时, 应设计合适外形和分离方式来降低分离舱初始流体阻尼力矩。
水下爆炸冲击波数值仿真精度研究
敖启源, 卢熹, 姜智雅, 康珀阁
2024, 32(1): 158-165. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0098
摘要:
在水下爆炸数值仿真研究中, 网格尺寸和一次项人工粘性系数对冲击波峰值压力计算结果有较大影响。在预定计算精度条件下, 快速确定网格尺寸及人工粘性对数值计算意义重大。为此, 文中基于LS-DYNA有限元软件, 建立78 g三硝基甲苯(TNT)二维水下爆炸数值计算模型, 重点分析网格尺寸和一次项粘性系数对水下爆炸冲击波峰值压力和整体计算误差的影响规律。结果表明, 随着网格密度因子的增大, 计算峰值压力对网格的敏感性降低, 且网格密度较大时, 过小的一次项系数会导致计算峰值压力与经验公式值的相对误差增大。在此基础上获得20%范围内误差与网格尺寸、粘性系数之间的关系, 并构建出可用于快速确定网格尺寸和一次项人工粘性系数的误差预估模型, 通过0.2 ~5 000 kg范围内的TNT柱形装药(长径比为1)和球形装药的水下爆炸计算, 验证了预估模型的普适性, 可为二维中近场范围内的水下爆炸冲击波数值仿真计算研究提供参考。
可靠性仿真在鱼雷产品上的应用
王斗辉, 陈欢, 郭君, 吴斌
2024, 32(1): 166-173. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0030
摘要:
针对传统可靠性试验耗时长、成本高的问题, 给出了可靠性仿真的基本内容和工作流程, 针对鱼雷产品中的典型电子组件开展可靠性仿真建模、热应力和振动应力仿真分析、故障预计和可靠性评估, 以得到产品设计薄弱环节、潜在故障信息和平均首发故障时间等。分析结果表明, 可靠性仿真能够确保在鱼雷产品设计早期消除故障源, 从而提高鱼雷产品的鲁棒性和故障预测能力。
综述评论
深潜救生艇用电池应用现状与发展趋势
何巍巍, 张伟, 谢飞, 马岭, 程斐
2024, 32(1): 174-182. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0052
摘要:
潜艇具有极强的作战能力和威慑力量, 在战争中具有不可替代的作用, 受到了各国的高度重视。但潜艇的作战特点也决定了其一旦发生事故, 救援难度会非常大。在各型援潜救生装备中, 深潜救生艇(DSRV)具有操作灵活、救援人数多等优点, 是一种非常高效的援潜救生技术, 因此, 各国海军研制了多型DSRV用于潜艇的失事救援。DSRV在水下主要依靠电池提供能源, 电池的性能也在一定程度上决定了DSRV的性能。文中主要对全球各型DSRV用电池的应用情况进行概述, 对其应用现状、关键技术、研究基础等进行分析, 并对DSRV用电池技术的未来发展趋势进行展望, 以期为今后DSRV用电池的研制提供借鉴。
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