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, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0051
摘要:
自主水下航行器(AUV)自主对接是水下驻留系统实现长期连续作业、能量补给与数据回传的关键环节, 其性能直接影响系统运行效率与长期可靠性。近年来, 面向复杂海洋环境的AUV对接技术已由早期功能验证发展为涵盖对接站结构、定位导航、规划控制及能源与数据管理的系统化技术体系, 呈现出结构、感知、控制与能源深度耦合的发展特征。然而, 现有研究在环境适应性、感知退化条件下鲁棒性、长期运行可靠性评估及系统级协同设计等方面仍存在不足。文中系统梳理了水下驻留场景下AUV对接站结构、分阶段定位导航、规划控制及能源与数据管理等关键技术进展, 分析其内在关联与面临挑战。研究表明, AUV对接技术正由单项性能提升转向面向不确定环境的系统级容错与协同优化。
自主水下航行器(AUV)自主对接是水下驻留系统实现长期连续作业、能量补给与数据回传的关键环节, 其性能直接影响系统运行效率与长期可靠性。近年来, 面向复杂海洋环境的AUV对接技术已由早期功能验证发展为涵盖对接站结构、定位导航、规划控制及能源与数据管理的系统化技术体系, 呈现出结构、感知、控制与能源深度耦合的发展特征。然而, 现有研究在环境适应性、感知退化条件下鲁棒性、长期运行可靠性评估及系统级协同设计等方面仍存在不足。文中系统梳理了水下驻留场景下AUV对接站结构、分阶段定位导航、规划控制及能源与数据管理等关键技术进展, 分析其内在关联与面临挑战。研究表明, AUV对接技术正由单项性能提升转向面向不确定环境的系统级容错与协同优化。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0077
摘要:
针对微型水下航行器在宽速域运行条件下微型轴流式汽轮机面临的效率问题, 开展了变工况损耗演化机理研究。基于Modelica语言, 构建了热-机-流多物理场耦合机理模型, 引入了轮盘摩擦损失、部分进汽损失、叶顶间隙泄漏损失及余速损失等微尺度非线性损耗修正。通过典型任务剖面的瞬态仿真与全速域参数扫描, 揭示了变工况过程中损耗机制的阶段性演变: 低速巡航阶段, 余速损失、轮盘摩擦损失与部分进汽损失占比相近, 形成三者协同主导的局面, 同时泄漏损失构成较为稳定的损耗; 高速突击阶段, 部分进汽损失与轮盘摩擦损失成为主导损耗源。进一步研究表明, 系统性能受运行参数与几何参数显著影响: 提高进口压力和进口温度可降低损耗占比, 但是要注意进口参数和气动特性的匹配; 控制叶顶间隙、适当增大部分进汽度并采用偏小的动叶出口角, 可有效抑制动能耗散与微尺度损失, 改善全工况效率。研究结果为微型动力系统的能量管理、高效运行区间界定及结构优化提供了理论依据与仿真支撑。
针对微型水下航行器在宽速域运行条件下微型轴流式汽轮机面临的效率问题, 开展了变工况损耗演化机理研究。基于Modelica语言, 构建了热-机-流多物理场耦合机理模型, 引入了轮盘摩擦损失、部分进汽损失、叶顶间隙泄漏损失及余速损失等微尺度非线性损耗修正。通过典型任务剖面的瞬态仿真与全速域参数扫描, 揭示了变工况过程中损耗机制的阶段性演变: 低速巡航阶段, 余速损失、轮盘摩擦损失与部分进汽损失占比相近, 形成三者协同主导的局面, 同时泄漏损失构成较为稳定的损耗; 高速突击阶段, 部分进汽损失与轮盘摩擦损失成为主导损耗源。进一步研究表明, 系统性能受运行参数与几何参数显著影响: 提高进口压力和进口温度可降低损耗占比, 但是要注意进口参数和气动特性的匹配; 控制叶顶间隙、适当增大部分进汽度并采用偏小的动叶出口角, 可有效抑制动能耗散与微尺度损失, 改善全工况效率。研究结果为微型动力系统的能量管理、高效运行区间界定及结构优化提供了理论依据与仿真支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0066
摘要:
针对传统蚁群算法在水下巡检机器人路径规划时存在收敛速度慢、易陷入局部最优、水下环境适应性差的问题, 提出一种改进蚁群算法。首先优化蚁群信息素更新策略, 构建包含路径长度、安全性、平滑性与水流适配性的综合评价函数, 通过路径适应度高低来动态调整信息素释放系数大小, 并根据迭代进度动态调整信息素挥发系数, 在算法迭代后期加快收敛速度; 其次在启发函数中引入水流因素与障碍物距离因素, 引导蚂蚁选择质量更好的路径; 随后融合模拟退火机制避免算法陷入局部最优; 最后结合B样条曲线对路径做平滑性处理, 减少水下机器人的能耗。仿真结果表明, 改进蚁群算法不仅收敛速度更快、转点数量更少, 还缩短了最优路径长度。
针对传统蚁群算法在水下巡检机器人路径规划时存在收敛速度慢、易陷入局部最优、水下环境适应性差的问题, 提出一种改进蚁群算法。首先优化蚁群信息素更新策略, 构建包含路径长度、安全性、平滑性与水流适配性的综合评价函数, 通过路径适应度高低来动态调整信息素释放系数大小, 并根据迭代进度动态调整信息素挥发系数, 在算法迭代后期加快收敛速度; 其次在启发函数中引入水流因素与障碍物距离因素, 引导蚂蚁选择质量更好的路径; 随后融合模拟退火机制避免算法陷入局部最优; 最后结合B样条曲线对路径做平滑性处理, 减少水下机器人的能耗。仿真结果表明, 改进蚁群算法不仅收敛速度更快、转点数量更少, 还缩短了最优路径长度。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0025
摘要:
针对复杂海流环境显著影响自主水下航行器(AUV)航行效能与能源效率的问题, 文中提出一种融合流场导向采样的双向快速扩展随机树与改进人工势场法的能耗优化路径规划算法(FAPF-Bi-RRT*)。首先, 设计基于流场信息的多策略采样概率修正方法, 通过计算流场与目标方向的一致性度量, 动态调整采样权重, 引导随机树向顺流及低能耗区域扩展, 解决传统 RRT* 盲目搜索的问题; 其次, 建立自适应流场势场模型, 将海流的推阻作用转化为势场梯度, 并在人工势场中引入流场增益自适应调节机制, 实时辅助节点扩展与重连, 避免逆流陷阱; 最后, 构建包含路径长度与能量消耗的复合代价函数进行渐进寻优。在真实地形与流场数据下的仿真结果表明, 该算法在保证概率完备性与避障能力的同时, 在强流场环境中与传统Bi-RRT*算法相比路径长度降低约14%, 路径能耗降低约10%, 实现了复杂海洋环境下的高效、节能路径规划。
针对复杂海流环境显著影响自主水下航行器(AUV)航行效能与能源效率的问题, 文中提出一种融合流场导向采样的双向快速扩展随机树与改进人工势场法的能耗优化路径规划算法(FAPF-Bi-RRT*)。首先, 设计基于流场信息的多策略采样概率修正方法, 通过计算流场与目标方向的一致性度量, 动态调整采样权重, 引导随机树向顺流及低能耗区域扩展, 解决传统 RRT* 盲目搜索的问题; 其次, 建立自适应流场势场模型, 将海流的推阻作用转化为势场梯度, 并在人工势场中引入流场增益自适应调节机制, 实时辅助节点扩展与重连, 避免逆流陷阱; 最后, 构建包含路径长度与能量消耗的复合代价函数进行渐进寻优。在真实地形与流场数据下的仿真结果表明, 该算法在保证概率完备性与避障能力的同时, 在强流场环境中与传统Bi-RRT*算法相比路径长度降低约14%, 路径能耗降低约10%, 实现了复杂海洋环境下的高效、节能路径规划。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0165
摘要:
文中采用嵌套网格技术和运动参考系相结合的方法, 建立了水下航行器在母艇绕流条件下的外流场数值模型, 采用文献标模试验结果验证了数值方法的合理性, 研究了母艇绕流对航行器外流场及流体动力特性的影响。结果表明, 航行器位于母艇前侧方时受到的影响最大, 航行器的阻力系数、侧向力系数、偏航力矩系数表现出非线性; 随着航行器与母艇间距的增加母艇绕流的影响逐渐减弱, 当间距大于1.75倍母艇直径时该影响可忽略; 随着母艇速度增加, 航行器流体动力参数受母艇绕流的影响增大。研究结果可为水下航行器在母艇附近航行的弹道预测提供参考。
文中采用嵌套网格技术和运动参考系相结合的方法, 建立了水下航行器在母艇绕流条件下的外流场数值模型, 采用文献标模试验结果验证了数值方法的合理性, 研究了母艇绕流对航行器外流场及流体动力特性的影响。结果表明, 航行器位于母艇前侧方时受到的影响最大, 航行器的阻力系数、侧向力系数、偏航力矩系数表现出非线性; 随着航行器与母艇间距的增加母艇绕流的影响逐渐减弱, 当间距大于1.75倍母艇直径时该影响可忽略; 随着母艇速度增加, 航行器流体动力参数受母艇绕流的影响增大。研究结果可为水下航行器在母艇附近航行的弹道预测提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0045
摘要:
跨介质航行器旋翼在介质转换过程中, 因介质物理参数突变面临复杂瞬时应变问题, 长期交变载荷易引发桨叶微裂纹萌生、扩展甚至断裂, 严重威胁航行器运行可靠性与任务连续性。为解决旋翼出入水状态感知及损伤监测核心难题, 文中构建“信号采集-处理-特征提取-模型训练-状态感知”的完整技术体系: 实验装置通过导轨控制旋翼驱动结构出入水, 利用光纤光栅解调仪实时采集旋翼出入水全过程信号, 选取奇异点剔除法识别并剔除异常数据点, 完整保留信号入水、水中及出水特征, 通过图像转换保留时间序列的时间戳与幅度信息, 增强时间相关性特征并消除冗余, 而后将特征信号和转换图像用于模型训练。结果表明, 训练模型实现了跨介质航行器旋翼出入水状态的精准识别与实时损伤预警, 为航行器航线调整提供决策支持, 有效提升其智能感知与突防能力, 同时推动光学监测技术在跨介质航行器领域的深入应用。
跨介质航行器旋翼在介质转换过程中, 因介质物理参数突变面临复杂瞬时应变问题, 长期交变载荷易引发桨叶微裂纹萌生、扩展甚至断裂, 严重威胁航行器运行可靠性与任务连续性。为解决旋翼出入水状态感知及损伤监测核心难题, 文中构建“信号采集-处理-特征提取-模型训练-状态感知”的完整技术体系: 实验装置通过导轨控制旋翼驱动结构出入水, 利用光纤光栅解调仪实时采集旋翼出入水全过程信号, 选取奇异点剔除法识别并剔除异常数据点, 完整保留信号入水、水中及出水特征, 通过图像转换保留时间序列的时间戳与幅度信息, 增强时间相关性特征并消除冗余, 而后将特征信号和转换图像用于模型训练。结果表明, 训练模型实现了跨介质航行器旋翼出入水状态的精准识别与实时损伤预警, 为航行器航线调整提供决策支持, 有效提升其智能感知与突防能力, 同时推动光学监测技术在跨介质航行器领域的深入应用。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0006
摘要:
针对复杂水域环境单一遥感平台或同构数据的水深反演精度低问题, 文中提出一种基于多模态异构传感器的无人机-无人船协同水深反演模型。该模型先通过多光谱指数联合提取目标水体, 再融合双平台多模态传感器数据, 利用梯度提升决策树(GBDT)挖掘非线性映射关系以反演水深。实验表明, 模型决定系数达0.971, 均方根误差为0.31 m, 水深波动控制在±0.2 m内, 精度显著优于传统对比方法。
针对复杂水域环境单一遥感平台或同构数据的水深反演精度低问题, 文中提出一种基于多模态异构传感器的无人机-无人船协同水深反演模型。该模型先通过多光谱指数联合提取目标水体, 再融合双平台多模态传感器数据, 利用梯度提升决策树(GBDT)挖掘非线性映射关系以反演水深。实验表明, 模型决定系数达0.971, 均方根误差为0.31 m, 水深波动控制在±0.2 m内, 精度显著优于传统对比方法。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0171
摘要:
针对存放地域偏远、不宜频繁运输、难以集中检测的水下无人装备检测需求, 文中基于电源分系统、X射线源分系统、探测采集传输分系统等硬件设备搭建了车载工业计算机断层成像(CT)无损缺陷检测及识别系统, 并结合深度神经网络研制了工业CT检测产品缺陷图像识别软件, 实现对检测图像处理及产品内部缺陷的识别和标识。经实际检测测试, 该系统能够很好地检测和识别水下无人装备内部高能填充物的孔洞、裂隙、脱粘等缺陷, 成像准确率超过98%, 缺陷识别漏检率和虚警率均不超过5%。该系统能够适应产品的不同材料和外形结构, 能够在多种环境下工作, 具有较好的应用前景。
针对存放地域偏远、不宜频繁运输、难以集中检测的水下无人装备检测需求, 文中基于电源分系统、X射线源分系统、探测采集传输分系统等硬件设备搭建了车载工业计算机断层成像(CT)无损缺陷检测及识别系统, 并结合深度神经网络研制了工业CT检测产品缺陷图像识别软件, 实现对检测图像处理及产品内部缺陷的识别和标识。经实际检测测试, 该系统能够很好地检测和识别水下无人装备内部高能填充物的孔洞、裂隙、脱粘等缺陷, 成像准确率超过98%, 缺陷识别漏检率和虚警率均不超过5%。该系统能够适应产品的不同材料和外形结构, 能够在多种环境下工作, 具有较好的应用前景。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0047
摘要:
针对自主水下航行器在深水或复杂底质环境下因多普勒计程仪(DVL)不可用而导致SINS/DVL松组合导航精度下降的问题, 提出一种基于时间卷积网络与注意力机制(TCN-Attention)的伪DVL速度量测生成方法。该方法以惯性测量单元(IMU)的角速度、比力以及惯导解算得到的姿态、位置和速度信息构成时序输入, 在DVL可用阶段利用DVL速度构建监督样本并离线训练网络, 在DVL不可用阶段输出伪速度量测并参与扩展卡尔曼滤波(EKF)更新, 以抑制惯导误差累积。模型采用因果空洞卷积提取时序特征, 并引入注意力机制增强对转弯、加减速等关键动态片段的表征能力。基于16组轨迹数据的仿真结果表明, 与时间卷积网络(TCN)和门控循环单元注意力模型(GRU-Attention)相比, 所提方法在东、北向速度误差及绝对轨迹误差等指标上均取得更优结果, 重建航迹更接近真实轨迹, 表明该方法在DVL持续失效场景下具有较好的有效性与鲁棒性。
针对自主水下航行器在深水或复杂底质环境下因多普勒计程仪(DVL)不可用而导致SINS/DVL松组合导航精度下降的问题, 提出一种基于时间卷积网络与注意力机制(TCN-Attention)的伪DVL速度量测生成方法。该方法以惯性测量单元(IMU)的角速度、比力以及惯导解算得到的姿态、位置和速度信息构成时序输入, 在DVL可用阶段利用DVL速度构建监督样本并离线训练网络, 在DVL不可用阶段输出伪速度量测并参与扩展卡尔曼滤波(EKF)更新, 以抑制惯导误差累积。模型采用因果空洞卷积提取时序特征, 并引入注意力机制增强对转弯、加减速等关键动态片段的表征能力。基于16组轨迹数据的仿真结果表明, 与时间卷积网络(TCN)和门控循环单元注意力模型(GRU-Attention)相比, 所提方法在东、北向速度误差及绝对轨迹误差等指标上均取得更优结果, 重建航迹更接近真实轨迹, 表明该方法在DVL持续失效场景下具有较好的有效性与鲁棒性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0083
摘要:
运用等效电路仿真计算方法对锂贮备电池组共用电解液状态下的漏电流分布情况进行了研究。分析了串联单体数量、电解液电导率、注液管结构特征对漏电流的影响。组建了电池模组漏电流实验装置, 通过实测结果与仿真结果的对比, 确认了仿真计算方法的有效性。
运用等效电路仿真计算方法对锂贮备电池组共用电解液状态下的漏电流分布情况进行了研究。分析了串联单体数量、电解液电导率、注液管结构特征对漏电流的影响。组建了电池模组漏电流实验装置, 通过实测结果与仿真结果的对比, 确认了仿真计算方法的有效性。
