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, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0091
摘要:
为了探究轮毂比对水下航行器高速泵喷推进器的影响, 以比转速为1 920的叶轮为研究对象, 对水下航行器高速泵喷推进器3种不同的轮毂比开展数值计算、性能结果分析比对和试验验证。应用Fluent软件, 采用基于雷诺平均N-S方程和SST k-ω模型, 预测叶轮的扬程、效率及推力。通过数值仿真计算, 得到不同轮毂比叶轮的性能曲线、空化性能数据及内流场状态。结果表明: 叶片表面从叶梢到轮缘的压力梯度逐渐变小, 且随着轮毂比的增大, 叶片上最大静压下降, 泵喷推进器的扬程和效率均有所降低, 且空化性能下降明显, 但在空化状态上优于小轮毂比。研究结果能够为水下航行器高速泵喷推进器结构的优化设计提供参考。
为了探究轮毂比对水下航行器高速泵喷推进器的影响, 以比转速为1 920的叶轮为研究对象, 对水下航行器高速泵喷推进器3种不同的轮毂比开展数值计算、性能结果分析比对和试验验证。应用Fluent软件, 采用基于雷诺平均N-S方程和SST k-ω模型, 预测叶轮的扬程、效率及推力。通过数值仿真计算, 得到不同轮毂比叶轮的性能曲线、空化性能数据及内流场状态。结果表明: 叶片表面从叶梢到轮缘的压力梯度逐渐变小, 且随着轮毂比的增大, 叶片上最大静压下降, 泵喷推进器的扬程和效率均有所降低, 且空化性能下降明显, 但在空化状态上优于小轮毂比。研究结果能够为水下航行器高速泵喷推进器结构的优化设计提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0139
摘要:
随着军事科技的不断进步, 水下航行器的应用范围和重要性在不断扩大, 在海战中的地位愈发凸显。其不仅可以执行侦察、监视和情报收集任务, 还能够进行反水雷、反潜以及对水面舰艇的攻击。文中研究探讨的大型水下航行器结构的爆炸毁伤特性, 不仅对于提高航行器的生存能力至关重要, 也对海战中的战术应用和战略部署具有深远的影响。首先, 使用结构化任意拉格朗日-欧拉(S-ALE)算法建立了水下航行器和爆炸模型, 总结了水下爆炸下近壁面气泡运动特性。之后探讨了在水下爆炸冲击波和气泡载荷作用下, 航行器结构的破坏特性。结果显示, 静水压力会扩大爆炸对结构的毁伤。当航行器结构遭遇两发武器攻击时, 在一定范围内, 水平布置的两爆源间距越大, 航行器毁伤越严重。
随着军事科技的不断进步, 水下航行器的应用范围和重要性在不断扩大, 在海战中的地位愈发凸显。其不仅可以执行侦察、监视和情报收集任务, 还能够进行反水雷、反潜以及对水面舰艇的攻击。文中研究探讨的大型水下航行器结构的爆炸毁伤特性, 不仅对于提高航行器的生存能力至关重要, 也对海战中的战术应用和战略部署具有深远的影响。首先, 使用结构化任意拉格朗日-欧拉(S-ALE)算法建立了水下航行器和爆炸模型, 总结了水下爆炸下近壁面气泡运动特性。之后探讨了在水下爆炸冲击波和气泡载荷作用下, 航行器结构的破坏特性。结果显示, 静水压力会扩大爆炸对结构的毁伤。当航行器结构遭遇两发武器攻击时, 在一定范围内, 水平布置的两爆源间距越大, 航行器毁伤越严重。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143
摘要:
针对舰艇多自由度设备在爆炸冲击载荷下的响应分析难题, 文中提出了一种基于深度学习的冲击响应预测模型。传统单自由度模型无法高效分析多自由度系统的复杂冲击响应, 而本模型通过深度学习技术, 特别是利用神经网络的数据特征提取和非线性建模能力, 从数值仿真数据中学习冲击谱与输入冲击载荷的关联, 实现了对舰艇结构中关键点冲击响应谱的高效、准确计算。这一方法填补了现有模型在处理多自由度设备时的不足, 满足了对复杂系统冲击响应快速准确分析的需求。实验结果表明, 该模型能准确预测多自由度设备的冲击响应谱, 与仿真数据的相对误差控制在8%以内, 有效解决了传统模型在多自由度系统分析中的局限性。
针对舰艇多自由度设备在爆炸冲击载荷下的响应分析难题, 文中提出了一种基于深度学习的冲击响应预测模型。传统单自由度模型无法高效分析多自由度系统的复杂冲击响应, 而本模型通过深度学习技术, 特别是利用神经网络的数据特征提取和非线性建模能力, 从数值仿真数据中学习冲击谱与输入冲击载荷的关联, 实现了对舰艇结构中关键点冲击响应谱的高效、准确计算。这一方法填补了现有模型在处理多自由度设备时的不足, 满足了对复杂系统冲击响应快速准确分析的需求。实验结果表明, 该模型能准确预测多自由度设备的冲击响应谱, 与仿真数据的相对误差控制在8%以内, 有效解决了传统模型在多自由度系统分析中的局限性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0158
摘要:
随着阵列信号处理的广泛应用, 波达方位估计作为阵列信号处理的核心问题得到较大发展。文中首先对基于均匀线性阵列的窄带目标方位估计中的基于波束形成的传统算法和近10年的新兴算法进行了总结; 分析了传统波束形成方法分辨力受限的原因, 讨论了自适应波束形成方位谱、子空间方法以及压缩感知等更高分辨力的方法; 进一步, 基于实际应用的需要, 总结了宽带目标方位估计方法、基于稀疏阵列的波达方向(DOA)估计方法以及二维DOA估计方法的进展。最后介绍了基于人工智能的方法在方位估计中的新发展。文中的研究可应用于现代雷达声纳探测、无线电通信以及导航中, 具有较高的应用价值。
随着阵列信号处理的广泛应用, 波达方位估计作为阵列信号处理的核心问题得到较大发展。文中首先对基于均匀线性阵列的窄带目标方位估计中的基于波束形成的传统算法和近10年的新兴算法进行了总结; 分析了传统波束形成方法分辨力受限的原因, 讨论了自适应波束形成方位谱、子空间方法以及压缩感知等更高分辨力的方法; 进一步, 基于实际应用的需要, 总结了宽带目标方位估计方法、基于稀疏阵列的波达方向(DOA)估计方法以及二维DOA估计方法的进展。最后介绍了基于人工智能的方法在方位估计中的新发展。文中的研究可应用于现代雷达声纳探测、无线电通信以及导航中, 具有较高的应用价值。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0048
摘要:
以无人水下航行器、无人水面艇为代表的新兴水下水面装备具有数量多、体积小、智能化程度高且工作内容广等特点。未来海战任务将大量使用无人装备, 因此海洋无人智能装备探测技术的发展已经成为各国军备和科研内容的关键技术之一。文中在对不同海洋航行器分类的基础上, 对近年来各国海洋智能无人装备探测方法进行综述, 涵盖了光、电、磁等新型物理场信息源。将多系统协同探测和多信息全方位感知技术的可行性进行分析, 同时阐述了深度智能线谱检测的研究现状。未来, 海洋无人智能装备探测将向着智能化、集群化、高精度、鲁棒性以及实时性等方向发展。进一步提高水下目标识别水平将是未来重要的研究方向。
以无人水下航行器、无人水面艇为代表的新兴水下水面装备具有数量多、体积小、智能化程度高且工作内容广等特点。未来海战任务将大量使用无人装备, 因此海洋无人智能装备探测技术的发展已经成为各国军备和科研内容的关键技术之一。文中在对不同海洋航行器分类的基础上, 对近年来各国海洋智能无人装备探测方法进行综述, 涵盖了光、电、磁等新型物理场信息源。将多系统协同探测和多信息全方位感知技术的可行性进行分析, 同时阐述了深度智能线谱检测的研究现状。未来, 海洋无人智能装备探测将向着智能化、集群化、高精度、鲁棒性以及实时性等方向发展。进一步提高水下目标识别水平将是未来重要的研究方向。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0073
摘要:
在 鱼雷自导导引过程中, 单一导引方法不能适应不同导引阶段, 难以有效保证鱼雷导引效果。为此, 文中结合固定提前角导引法、比例导引法以及变结构导引法等3种不同典型导引方法, 基于模糊控制原理, 设计出一种模糊组合导引律。通过在不同环境下的仿真对比, 结果表明, 模糊组合导引律的综合性能优于其他典型导引律, 可为鱼雷自导导引的实际应用提供借鉴。
在 鱼雷自导导引过程中, 单一导引方法不能适应不同导引阶段, 难以有效保证鱼雷导引效果。为此, 文中结合固定提前角导引法、比例导引法以及变结构导引法等3种不同典型导引方法, 基于模糊控制原理, 设计出一种模糊组合导引律。通过在不同环境下的仿真对比, 结果表明, 模糊组合导引律的综合性能优于其他典型导引律, 可为鱼雷自导导引的实际应用提供借鉴。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009
摘要:
针对水下蛇形机器人在复杂水下环境自主游动难问题, 设计了一种水下蛇形机器人机构。基于蛇类运动机理建立运动学模型, 提出一种基于模糊控制和中枢模式生成(CPG)的运动控制方法, 通过对单个Hopf振荡器模型中极限环的稳定性进行分析, 搭建由多个Hopf振荡器构建形成的具有双耦合链条网拓结构的CPG模型, 引入模糊控制器与CPG模型一起构成闭环控制网络。对水下蛇形机器人进行仿真和实验结果表明, 样机可实现直线蜿蜒运动、左右转弯运动和U型运动实验, 在3种运动模式中, 水下蛇形机器人不仅拥有良好的稳定性, 而且能够保持优越的灵活性与机动性。
针对水下蛇形机器人在复杂水下环境自主游动难问题, 设计了一种水下蛇形机器人机构。基于蛇类运动机理建立运动学模型, 提出一种基于模糊控制和中枢模式生成(CPG)的运动控制方法, 通过对单个Hopf振荡器模型中极限环的稳定性进行分析, 搭建由多个Hopf振荡器构建形成的具有双耦合链条网拓结构的CPG模型, 引入模糊控制器与CPG模型一起构成闭环控制网络。对水下蛇形机器人进行仿真和实验结果表明, 样机可实现直线蜿蜒运动、左右转弯运动和U型运动实验, 在3种运动模式中, 水下蛇形机器人不仅拥有良好的稳定性, 而且能够保持优越的灵活性与机动性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0061
摘要:
机器人在水下非结构化环境作业时, 难以依赖外部基站进行定位, 机器人多传感器融合自主定位在此类环境具有重要应用价值。文中针对水下多传感器融合定位中视觉定位稳定性差、惯性导航存在较大漂移等问题, 提出一种紧组合视觉、惯性、压力传感器的多传感器融合定位方法。通过图优化方法进行多传感器融合, 基于深度信息对视觉惯性数据进行误差辨识以提升融合数据质量; 针对融合定位过程中出现的漂移和定位丢失问题, 采用深度传感器进行权重分配以提供更加细致的系统初始化, 同时引入闭环检测和重定位方法, 有效改善漂移和定位丢失的问题。通过试验验证发现, 所提出的融合定位算法相较于视觉惯性融合定位方法精度提升48.4%, 具有更好的精度和鲁棒性, 实际工况定位精度可达厘米级。
机器人在水下非结构化环境作业时, 难以依赖外部基站进行定位, 机器人多传感器融合自主定位在此类环境具有重要应用价值。文中针对水下多传感器融合定位中视觉定位稳定性差、惯性导航存在较大漂移等问题, 提出一种紧组合视觉、惯性、压力传感器的多传感器融合定位方法。通过图优化方法进行多传感器融合, 基于深度信息对视觉惯性数据进行误差辨识以提升融合数据质量; 针对融合定位过程中出现的漂移和定位丢失问题, 采用深度传感器进行权重分配以提供更加细致的系统初始化, 同时引入闭环检测和重定位方法, 有效改善漂移和定位丢失的问题。通过试验验证发现, 所提出的融合定位算法相较于视觉惯性融合定位方法精度提升48.4%, 具有更好的精度和鲁棒性, 实际工况定位精度可达厘米级。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0051
摘要:
超临界CO2布雷顿循环系统是水下平台动力技术的重要发展方向, 但由于深海低温较远离CO2临界温度致使循环系统存在温度适应性问题。文中提出了利用CO2基混合工质改善循环温度适应性并进一步优化循环性能的方案, 建立了简单回热循环热力学模型, 分析了CO2基混合工质临界参数随加入气体种类、质量分数的变化, 阐明了压缩机入口状态参数对CO2基混合工质闭式循环热力学性能的影响规律, 探讨了混合工质拟临界点位置对回热器夹点、热惯性等的影响。结果表明: 低临界参数混合工质循环可进一步扩大循环温度范围、压比以改善循环热力学性能, 但仅扩大温度范围而降低压比可能会对其造成不利于影响; 综合考虑循环热效率、比功、回热器内部夹点及热惯性, CO2/Xe(0.5/0.5)跨临界朗肯循环、CO2/SF6(0.9/0.1)跨临界液体布雷顿循环以及CO2/SF6(0.5/0.5)跨临界朗肯循环较超临界CO2布雷顿循环热效率最大可提高3.79个百分点、比功最大可提升31.6%, 回热器夹点位于冷端并未加剧其热惯性, 不会减缓系统响应速度。
超临界CO2布雷顿循环系统是水下平台动力技术的重要发展方向, 但由于深海低温较远离CO2临界温度致使循环系统存在温度适应性问题。文中提出了利用CO2基混合工质改善循环温度适应性并进一步优化循环性能的方案, 建立了简单回热循环热力学模型, 分析了CO2基混合工质临界参数随加入气体种类、质量分数的变化, 阐明了压缩机入口状态参数对CO2基混合工质闭式循环热力学性能的影响规律, 探讨了混合工质拟临界点位置对回热器夹点、热惯性等的影响。结果表明: 低临界参数混合工质循环可进一步扩大循环温度范围、压比以改善循环热力学性能, 但仅扩大温度范围而降低压比可能会对其造成不利于影响; 综合考虑循环热效率、比功、回热器内部夹点及热惯性, CO2/Xe(0.5/0.5)跨临界朗肯循环、CO2/SF6(0.9/0.1)跨临界液体布雷顿循环以及CO2/SF6(0.5/0.5)跨临界朗肯循环较超临界CO2布雷顿循环热效率最大可提高3.79个百分点、比功最大可提升31.6%, 回热器夹点位于冷端并未加剧其热惯性, 不会减缓系统响应速度。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069
摘要:
水中爆炸靶板变形表现为结构与流体在冲击波作用下的复杂非线性耦合作用。文中设计和优化深度学习神经网络以预测输出不同靶板厚度、冲击因子、爆炸药量和爆炸距离条件下靶板动态变形位移数据, 测试集预测的决定系数和准确率达到0.99和0.95。与25个仿真工况数据相比, 基于预测模型得到的9261 个工况数据形成的爆炸变形响应分析图, 能够覆盖更细致的特征参数范围和最大变形量变化趋势, 可为水中武器设计及水下防护应用提供重要参考依据。
水中爆炸靶板变形表现为结构与流体在冲击波作用下的复杂非线性耦合作用。文中设计和优化深度学习神经网络以预测输出不同靶板厚度、冲击因子、爆炸药量和爆炸距离条件下靶板动态变形位移数据, 测试集预测的决定系数和准确率达到0.99和0.95。与25个仿真工况数据相比, 基于预测模型得到的
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0045
摘要:
针对水下遥控机器人(ROV)在模型参数不确定和海流扰动下的运动控制问题, 基于有限时间命令滤波和径向基(RBF)神经网络设计出一种自适应反步控制系统。首先, 基于马尔科夫过程构建随机海流模型, 并构建海流扰动下的ROV数学模型; 其次, 针对期望速度引入命令滤波技术, 以减少传统反步法迭代导数带来的计算量; 再次, 利用径向基神经网络对ROV模型的不确定项和外部未知扰动进行估计, 并设计自适应神经网络控制器; 最后, 利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明, 本文设计的控制器可以实现ROV航行的精确控制,并能够有效抑制模型的不确定项和海流扰动对ROV运动的影响。
针对水下遥控机器人(ROV)在模型参数不确定和海流扰动下的运动控制问题, 基于有限时间命令滤波和径向基(RBF)神经网络设计出一种自适应反步控制系统。首先, 基于马尔科夫过程构建随机海流模型, 并构建海流扰动下的ROV数学模型; 其次, 针对期望速度引入命令滤波技术, 以减少传统反步法迭代导数带来的计算量; 再次, 利用径向基神经网络对ROV模型的不确定项和外部未知扰动进行估计, 并设计自适应神经网络控制器; 最后, 利用李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环控制系统的稳定性。仿真结果表明, 本文设计的控制器可以实现ROV航行的精确控制,并能够有效抑制模型的不确定项和海流扰动对ROV运动的影响。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0070
摘要:
波浪能是一种持续性好、分布范围广的绿色可再生能源, 可以为综合观测浮标持续性供电, 但波浪变化速度较快, 能量峰均比较高, 需要通过混合储能系统平滑其能量波动, 以便可靠地向电力负载供电。混合储能系统需要兼顾功率密度和能量密度特性, 能量管理策略对于充分利用不同器件的特性, 延长系统的寿命至关重要。文中重点研究了波浪能供电中储能系统能量分配和功率控制方法, 提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)的混合储能系统功率分配和控制策略, 旨在保持母线的稳定并充分发挥蓄电池与超级电容两种储能技术的优势。仿真和实物模拟实验证明了所提策略可以显著提高波浪能供电系统的稳定性, 蓄电池充放电功率峰值大幅降低, 母线电压纹波被控制在1.6%以下。
波浪能是一种持续性好、分布范围广的绿色可再生能源, 可以为综合观测浮标持续性供电, 但波浪变化速度较快, 能量峰均比较高, 需要通过混合储能系统平滑其能量波动, 以便可靠地向电力负载供电。混合储能系统需要兼顾功率密度和能量密度特性, 能量管理策略对于充分利用不同器件的特性, 延长系统的寿命至关重要。文中重点研究了波浪能供电中储能系统能量分配和功率控制方法, 提出了一种基于深度确定性策略梯度(DDPG)的混合储能系统功率分配和控制策略, 旨在保持母线的稳定并充分发挥蓄电池与超级电容两种储能技术的优势。仿真和实物模拟实验证明了所提策略可以显著提高波浪能供电系统的稳定性, 蓄电池充放电功率峰值大幅降低, 母线电压纹波被控制在1.6%以下。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0062
摘要:
随着水下无人系统的快速发展, 水下关节电机作为水下机器人、水下机械臂等水下装备的核心驱动装置发挥着重要的作用。文中针对不同工作环境影响下导致的水下关节电机参数改变, 从而引起的电机控制的精确性和稳定性变差的问题, 开展电机多参数在线辨识研究。采用增加稳态工作点方法实现多参数的满秩辨识。同时, 为提高辨识方法的精度和鲁棒性, 研究了扩展卡尔曼滤波(EKF)方法和H∞方法在电机参数辨识方面的可行性, 进而提出了一种基于EKF和H∞的联合估计方法。通过仿真对比发现, 在参数辨识时, 所提出的联合估计方法相较于自适应EKF方法稳态标准差最大减少了84.7%, 相较于自适应H∞方法精确度最大提升了91.7%。验证联合估计方法优秀的鲁棒性和准确性, 可为水下关节电机的稳定高效运行提供理论和技术支撑。
随着水下无人系统的快速发展, 水下关节电机作为水下机器人、水下机械臂等水下装备的核心驱动装置发挥着重要的作用。文中针对不同工作环境影响下导致的水下关节电机参数改变, 从而引起的电机控制的精确性和稳定性变差的问题, 开展电机多参数在线辨识研究。采用增加稳态工作点方法实现多参数的满秩辨识。同时, 为提高辨识方法的精度和鲁棒性, 研究了扩展卡尔曼滤波(EKF)方法和H∞方法在电机参数辨识方面的可行性, 进而提出了一种基于EKF和H∞的联合估计方法。通过仿真对比发现, 在参数辨识时, 所提出的联合估计方法相较于自适应EKF方法稳态标准差最大减少了84.7%, 相较于自适应H∞方法精确度最大提升了91.7%。验证联合估计方法优秀的鲁棒性和准确性, 可为水下关节电机的稳定高效运行提供理论和技术支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0006
摘要:
考虑水下拒绝服务(DoS)攻击和声线分层效应的影响, 研究了基于水声传感器网络的目标追踪问题。首先考虑由水下传感器、水面浮标和水下目标组成的传感器网络架构。基于此, 构造了水下目标运动模型和水下拒绝服务攻击模型, 提出了一种改进的一致性无迹卡尔曼滤波水下目标追踪算法。进一步, 证明了追踪算法的收敛性, 推导了算法的克拉美罗下界。仿真和实验结果表明, 文中算法可以在水下环境有效进行目标追踪。
考虑水下拒绝服务(DoS)攻击和声线分层效应的影响, 研究了基于水声传感器网络的目标追踪问题。首先考虑由水下传感器、水面浮标和水下目标组成的传感器网络架构。基于此, 构造了水下目标运动模型和水下拒绝服务攻击模型, 提出了一种改进的一致性无迹卡尔曼滤波水下目标追踪算法。进一步, 证明了追踪算法的收敛性, 推导了算法的克拉美罗下界。仿真和实验结果表明, 文中算法可以在水下环境有效进行目标追踪。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0092
摘要:
机械噪声中的辐射噪声会对声学探测型水下滑翔机声学探测性能产生严重影响, 针对这一问题, 文中将吸声结构引入水下滑翔机的辐射噪声降噪研究。首先建立不同吸声结构的理论模型, 根据微穿孔板和多孔材料吸声理论, 提出用于降低水下滑翔机辐射噪声的复合吸声结构, 并利用COMOSL软件对复合吸声结构进行仿真分析, 用于指导复合吸声结构的设计。结果表明: 多孔材料层-空气腔-微穿孔板层-并联空气腔的复合吸声结构在0~2 000 Hz内的效果最好, 其在200~1 200 Hz内的平均吸声系数为0.663, 能有效降低水下滑翔机特定工况下的辐射噪声, 减小自噪声的干扰, 提高声学探测滑翔机的探测水平。
机械噪声中的辐射噪声会对声学探测型水下滑翔机声学探测性能产生严重影响, 针对这一问题, 文中将吸声结构引入水下滑翔机的辐射噪声降噪研究。首先建立不同吸声结构的理论模型, 根据微穿孔板和多孔材料吸声理论, 提出用于降低水下滑翔机辐射噪声的复合吸声结构, 并利用COMOSL软件对复合吸声结构进行仿真分析, 用于指导复合吸声结构的设计。结果表明: 多孔材料层-空气腔-微穿孔板层-并联空气腔的复合吸声结构在0~2 000 Hz内的效果最好, 其在200~1 200 Hz内的平均吸声系数为0.663, 能有效降低水下滑翔机特定工况下的辐射噪声, 减小自噪声的干扰, 提高声学探测滑翔机的探测水平。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0121
摘要:
针对传统的威胁评估方法处理复杂战场态势数据时, 缺乏数据挖掘能力和神经网络算法解释性不足等问题, 文中提出了一种创新的解决方案: 基于可解释增强机(EBM)的无人水下航行器(UUV)对目标威胁评估模型。EBM作为一种先进的机器学习技术, 巧妙地融合了梯度提升与广义加性模型(GAM), 实现了线性模型的高可解释性与梯度提升算法的准确性的完美结合。文中对EBM模型的性能进行了全面评估, 并与其他几种主流机器学习方法进行了比较, 包括分类提升、自适应提升以及深度学习。通过仿真实验, 发现EBM模型在保持高可解释性的同时, 还展现出了卓越的准确率, 在威胁等级的识别上, EBM模型的准确度达到了98.10%。这一结果不仅验证了EBM模型在复杂战场态势分析中的有效性, 也为UUV的自主决策提供了坚实的理论基础和技术支持。
针对传统的威胁评估方法处理复杂战场态势数据时, 缺乏数据挖掘能力和神经网络算法解释性不足等问题, 文中提出了一种创新的解决方案: 基于可解释增强机(EBM)的无人水下航行器(UUV)对目标威胁评估模型。EBM作为一种先进的机器学习技术, 巧妙地融合了梯度提升与广义加性模型(GAM), 实现了线性模型的高可解释性与梯度提升算法的准确性的完美结合。文中对EBM模型的性能进行了全面评估, 并与其他几种主流机器学习方法进行了比较, 包括分类提升、自适应提升以及深度学习。通过仿真实验, 发现EBM模型在保持高可解释性的同时, 还展现出了卓越的准确率, 在威胁等级的识别上, EBM模型的准确度达到了98.10%。这一结果不仅验证了EBM模型在复杂战场态势分析中的有效性, 也为UUV的自主决策提供了坚实的理论基础和技术支持。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084
摘要:
自主水下航行器(AUV)的精确轨迹跟踪能力是完成勘探、避障、管路巡检等水下任务的技术基础, 但AUV是典型欠驱动系统, 满足非完整动力学约束, 导致无法跟踪某些特殊轨迹, 也无法完成某些特殊水下动作, 例如守位调头、机头定点环绕观测等。多数研究者基于欠驱动系统理论研究如何提升AUV水下轨迹跟踪能力, 文中则从结构改进的角度, 通过借鉴水下遥控航行器(ROV)构型设计提出了新的AUV全向运动轨迹跟踪控制方法, 方法在保留AUV原有低阻流线型的鱼雷状结构设计与运动模式的前提下, 再赋予AUV新的全向运动模式, 其独特的全向运动模式解决了AUV轨迹跟踪中的运动约束问题, 具备了对任意轨迹的跟踪能力, 并完成特殊的水下动作。文中以Bluefin系列AUV为例, 设计改造全向式运动结构、开发基于Hermite算法的轨迹生成算法、基于缩放因子的轨迹导引算法以及航向-航行混控算法, 并对控制方法进行了仿真验证与水下试验验证。结果表明: 该方法能够实现AUV全向航行, 解决AUV轨迹跟踪中的运动约束问题 , 使AUV具备对任意轨迹的跟踪能力, 并完成目标动作。
自主水下航行器(AUV)的精确轨迹跟踪能力是完成勘探、避障、管路巡检等水下任务的技术基础, 但AUV是典型欠驱动系统, 满足非完整动力学约束, 导致无法跟踪某些特殊轨迹, 也无法完成某些特殊水下动作, 例如守位调头、机头定点环绕观测等。多数研究者基于欠驱动系统理论研究如何提升AUV水下轨迹跟踪能力, 文中则从结构改进的角度, 通过借鉴水下遥控航行器(ROV)构型设计提出了新的AUV全向运动轨迹跟踪控制方法, 方法在保留AUV原有低阻流线型的鱼雷状结构设计与运动模式的前提下, 再赋予AUV新的全向运动模式, 其独特的全向运动模式解决了AUV轨迹跟踪中的运动约束问题, 具备了对任意轨迹的跟踪能力, 并完成特殊的水下动作。文中以Bluefin系列AUV为例, 设计改造全向式运动结构、开发基于Hermite算法的轨迹生成算法、基于缩放因子的轨迹导引算法以及航向-航行混控算法, 并对控制方法进行了仿真验证与水下试验验证。结果表明: 该方法能够实现AUV全向航行, 解决AUV轨迹跟踪中的运动约束问题 , 使AUV具备对任意轨迹的跟踪能力, 并完成目标动作。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0004
摘要:
一般在使用机器学习方法对航位推算进行误差补偿时, 常采用神经网络算法。但神经网络需要大量的训练样本才能达到稳定的训练结果。为了解决此问题, 对支持向量机(SVM)在航位推算的误差补偿问题进行研究。利用SVM训练出误差补偿模型, 对航位推算进行误差补偿, 提高了导航精度。误差补偿模型选取自主水下航行器的俯仰角、横滚角和航向角, 多普勒计程仪(DVL)对地的前向、右向和天向速度以及航位推算时间等7个参数作为输入参数, 以全球卫星定位系统(GPS)和惯导+DVL组合提供的经纬度与航位推算的经纬度差作为模型的输出, 训练出了误差补偿模型。对比神经网络算法, 在数据量较少的前提下, SVM训练模型的相对误差为0.28%, 神经网络训练模型的相对误差为0.93%。通过湖上试验得出, SVM训练模型能够将航位推算的相对误差控制在0.5%内。
一般在使用机器学习方法对航位推算进行误差补偿时, 常采用神经网络算法。但神经网络需要大量的训练样本才能达到稳定的训练结果。为了解决此问题, 对支持向量机(SVM)在航位推算的误差补偿问题进行研究。利用SVM训练出误差补偿模型, 对航位推算进行误差补偿, 提高了导航精度。误差补偿模型选取自主水下航行器的俯仰角、横滚角和航向角, 多普勒计程仪(DVL)对地的前向、右向和天向速度以及航位推算时间等7个参数作为输入参数, 以全球卫星定位系统(GPS)和惯导+DVL组合提供的经纬度与航位推算的经纬度差作为模型的输出, 训练出了误差补偿模型。对比神经网络算法, 在数据量较少的前提下, SVM训练模型的相对误差为0.28%, 神经网络训练模型的相对误差为0.93%。通过湖上试验得出, SVM训练模型能够将航位推算的相对误差控制在0.5%内。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0148
摘要:
为了合理预测鱼雷聚能战斗部对含水复合装甲的侵彻威力, 基于A-T模型和两阶段孔径增长理论, 并结合基于虚拟原点理论的侵彻体侵彻过程分析, 提出了对含水复合装甲侵彻深度和穿孔直径的理论模型, 其中侵彻体断裂模型由郑哲敏提出的断裂时间公式描述。开展了缩比鱼雷聚能战斗部侵彻含水复合装甲试验研究, 其中鱼雷头段分别采用单层铝板和累计一定厚度的间隔铝板模拟, 同步开展侵彻威力数值仿真。理论计算中, 聚能侵彻体成型参数通过数值仿真获取并作为输入, 对理论计算、仿真和试验结果进行了对比分析, 验证了理论模型的合理性。理论计算可快速输出计算结果, 相关研究可以为鱼雷聚能战斗部威力快速预测、优化设计以及针对潜艇防护结构尺寸及参数特性的大威力新型聚能战斗部技术研究提供支撑。
为了合理预测鱼雷聚能战斗部对含水复合装甲的侵彻威力, 基于A-T模型和两阶段孔径增长理论, 并结合基于虚拟原点理论的侵彻体侵彻过程分析, 提出了对含水复合装甲侵彻深度和穿孔直径的理论模型, 其中侵彻体断裂模型由郑哲敏提出的断裂时间公式描述。开展了缩比鱼雷聚能战斗部侵彻含水复合装甲试验研究, 其中鱼雷头段分别采用单层铝板和累计一定厚度的间隔铝板模拟, 同步开展侵彻威力数值仿真。理论计算中, 聚能侵彻体成型参数通过数值仿真获取并作为输入, 对理论计算、仿真和试验结果进行了对比分析, 验证了理论模型的合理性。理论计算可快速输出计算结果, 相关研究可以为鱼雷聚能战斗部威力快速预测、优化设计以及针对潜艇防护结构尺寸及参数特性的大威力新型聚能战斗部技术研究提供支撑。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0087
摘要:
水下六足机器人具有强带负载能力、地形适应能力, 非常适合在复杂多变的海底环境进行近地观测和采样。控制系统是实现水下六足机器人稳定行走的关键技术。文中提出了基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计方法。建立D-H坐标系, 推导出足端轨迹与关节角之间的解析关系(正运动学); 通过多项式优化的方式规划出平滑的足端轨迹, 进而求解出对应的关节角(逆运动学); 以PC104为主控单元, 在ROS2环境中进行足端轨迹优化和逆运动学求解, 通过EtherCAT技术实现关节电机的同步跟踪, 设计出适用于水下六足机器人的控制系统。在水池中对水下六足机器人的典型运动方式(直行和转动)进行了验证。实验结果表明, 文中设计的控制系统可以实现水下六足机器人的稳定行走。
水下六足机器人具有强带负载能力、地形适应能力, 非常适合在复杂多变的海底环境进行近地观测和采样。控制系统是实现水下六足机器人稳定行走的关键技术。文中提出了基于逆运动学和足端轨迹优化的水下六足机器人控制系统设计方法。建立D-H坐标系, 推导出足端轨迹与关节角之间的解析关系(正运动学); 通过多项式优化的方式规划出平滑的足端轨迹, 进而求解出对应的关节角(逆运动学); 以PC104为主控单元, 在ROS2环境中进行足端轨迹优化和逆运动学求解, 通过EtherCAT技术实现关节电机的同步跟踪, 设计出适用于水下六足机器人的控制系统。在水池中对水下六足机器人的典型运动方式(直行和转动)进行了验证。实验结果表明, 文中设计的控制系统可以实现水下六足机器人的稳定行走。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0072
摘要:
随着现代海战威胁的日益复杂化, 舰艇的结构防护成为提升生存能力和战斗效能的关键。本文综述了舰艇冲击防护结构的研究进展, 特别是从传统均质防护结构向多层复合防护结构的演变。面对现代化高能量攻击, 如导弹和鱼雷, 传统的坚固钢板和合金材料已难以满足防护需求, 促使研究者转向复合材料及其夹层结构。通过采用陶瓷、金属、纤维增强材料和聚合物, 结合梯度设计、嵌入式设计、点阵结构和夹层技术等先进设计理念, 不仅实现了更优的抗冲击性能, 也实现了结构轻量化。文章还讨论了材料界面结合强度、结构复杂度及制造难度等挑战, 并指出极端冲击条件下层间结合不良可能导致材料层分离或破裂, 削弱防护效能。未来研究应聚焦于纳米材料、高分子材料和智能材料的开发, 以及多功能集成设计的实现, 强化防护结构的隐身、防探测和主动防御功能。同时, 强调仿真技术在设计优化和性能预测中的核心作用, 以及增材制造和激光加工技术在提高生产效率和产品质量中的潜力, 通过技术创新和材料研发有效提升复合防护结构的综合性能, 满足现代军事和民用领域对高性能防护材料的需求。
随着现代海战威胁的日益复杂化, 舰艇的结构防护成为提升生存能力和战斗效能的关键。本文综述了舰艇冲击防护结构的研究进展, 特别是从传统均质防护结构向多层复合防护结构的演变。面对现代化高能量攻击, 如导弹和鱼雷, 传统的坚固钢板和合金材料已难以满足防护需求, 促使研究者转向复合材料及其夹层结构。通过采用陶瓷、金属、纤维增强材料和聚合物, 结合梯度设计、嵌入式设计、点阵结构和夹层技术等先进设计理念, 不仅实现了更优的抗冲击性能, 也实现了结构轻量化。文章还讨论了材料界面结合强度、结构复杂度及制造难度等挑战, 并指出极端冲击条件下层间结合不良可能导致材料层分离或破裂, 削弱防护效能。未来研究应聚焦于纳米材料、高分子材料和智能材料的开发, 以及多功能集成设计的实现, 强化防护结构的隐身、防探测和主动防御功能。同时, 强调仿真技术在设计优化和性能预测中的核心作用, 以及增材制造和激光加工技术在提高生产效率和产品质量中的潜力, 通过技术创新和材料研发有效提升复合防护结构的综合性能, 满足现代军事和民用领域对高性能防护材料的需求。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0071
摘要:
自抗扰控制不依赖模型, 抗干扰能力强, 可以很好地解决自主水下航行器模型不确定性和外部环境复杂的问题, 然而自抗扰控制器的参数整定存在一定困难, 针对该问题, 提出了一种基于虚拟参考反馈整定的自抗扰控制器参数整定方法。首先针对自主水下航行器艏摇模型设计了自抗扰控制器; 其次给出了基于虚拟参考反馈整定的自抗扰控制器参数整定方法; 最后针对角度传感器延迟问题给出了基于史密斯预估器的自抗扰控制器设计方法。仿真证明, 该方法能够在模型信息未知的情况下, 仅通过开环实验的输入输出数据, 对AUV自抗扰控制器参数进行整定, 达到期望的控制效果。
自抗扰控制不依赖模型, 抗干扰能力强, 可以很好地解决自主水下航行器模型不确定性和外部环境复杂的问题, 然而自抗扰控制器的参数整定存在一定困难, 针对该问题, 提出了一种基于虚拟参考反馈整定的自抗扰控制器参数整定方法。首先针对自主水下航行器艏摇模型设计了自抗扰控制器; 其次给出了基于虚拟参考反馈整定的自抗扰控制器参数整定方法; 最后针对角度传感器延迟问题给出了基于史密斯预估器的自抗扰控制器设计方法。仿真证明, 该方法能够在模型信息未知的情况下, 仅通过开环实验的输入输出数据, 对AUV自抗扰控制器参数进行整定, 达到期望的控制效果。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0123
摘要:
通过高精度理论推导和CFD滑移技术的耦合, 研究一种针对水下气动发射系统的高精度内弹道计算方法, 并通过试验进行验证。该方法对发射过程中的高压气体域运用四阶Runge-Kutta法进行求解, 水域部分采用滑移网格进行单自由度武器发射仿真, 并建立气体理论计算和流体仿真计算的耦合关系, 从而实现高精度的内弹道计算方法。通过理论计算和流体仿真的耦合, 可弥补单一理论计算误差偏大和单一流体仿真的高成本, 该耦合计算方法具有高精度、低成本的优势。对比试验数据, 通过该方法得到的武器出管速度平均误差为5.6%, 发射气瓶截止压力平均误差为4.0%。
通过高精度理论推导和CFD滑移技术的耦合, 研究一种针对水下气动发射系统的高精度内弹道计算方法, 并通过试验进行验证。该方法对发射过程中的高压气体域运用四阶Runge-Kutta法进行求解, 水域部分采用滑移网格进行单自由度武器发射仿真, 并建立气体理论计算和流体仿真计算的耦合关系, 从而实现高精度的内弹道计算方法。通过理论计算和流体仿真的耦合, 可弥补单一理论计算误差偏大和单一流体仿真的高成本, 该耦合计算方法具有高精度、低成本的优势。对比试验数据, 通过该方法得到的武器出管速度平均误差为5.6%, 发射气瓶截止压力平均误差为4.0%。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0040
摘要:
通电线圈聚磁法因潜艇磁场模拟逼真度高、磁场分布特征和强度可调节、机动性好、环境依赖性低及安全性高等明显优势, 受到越来越多的关注。为更好指导通电线圈方式潜艇磁场模拟器设计, 深入研究其分布特性十分必要。文中给出潜艇空间磁场和任意通电导线空间磁场计算方法, 提出分体式三轴正交线圈潜艇磁场模拟工程方案, 对比研究该方案磁场与潜艇空间磁场分布特征。研究结果表明三轴正交线圈方式能较好地模拟潜艇空间磁场分布特征, 但不能完全反映分布尺度, 为潜艇磁场模拟提供了技术参考。
通电线圈聚磁法因潜艇磁场模拟逼真度高、磁场分布特征和强度可调节、机动性好、环境依赖性低及安全性高等明显优势, 受到越来越多的关注。为更好指导通电线圈方式潜艇磁场模拟器设计, 深入研究其分布特性十分必要。文中给出潜艇空间磁场和任意通电导线空间磁场计算方法, 提出分体式三轴正交线圈潜艇磁场模拟工程方案, 对比研究该方案磁场与潜艇空间磁场分布特征。研究结果表明三轴正交线圈方式能较好地模拟潜艇空间磁场分布特征, 但不能完全反映分布尺度, 为潜艇磁场模拟提供了技术参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0063
摘要:
鱼雷声隐身性能直接影响发射平台的安全性、鱼雷攻击的隐蔽性及线导导引的有效性。目前广泛采用的减振降噪手段在控制鱼雷中低频振动方面效果不佳, 为解决这一问题, 本研究针对鱼雷动力舱段展开了声学超材料减振方法研究。首先, 对动力舱段在轴向激励下的振动响应特性进行分析, 设计了悬臂梁局域共振单元结构, 并对该结构的带隙特性及减振效果进行分析。其次, 针对动力舱段支承结构, 提出基于声学超材料的减振方案。仿真分析发现, 声学超材料在相应带隙范围内对振动具有显著的衰减效果, 某些测点的衰减量高达11.95 dB。最后, 通过试验验证了声学超材料减振方案的有效性, 为解决鱼雷动力舱段中低频振动问题提供思路。
鱼雷声隐身性能直接影响发射平台的安全性、鱼雷攻击的隐蔽性及线导导引的有效性。目前广泛采用的减振降噪手段在控制鱼雷中低频振动方面效果不佳, 为解决这一问题, 本研究针对鱼雷动力舱段展开了声学超材料减振方法研究。首先, 对动力舱段在轴向激励下的振动响应特性进行分析, 设计了悬臂梁局域共振单元结构, 并对该结构的带隙特性及减振效果进行分析。其次, 针对动力舱段支承结构, 提出基于声学超材料的减振方案。仿真分析发现, 声学超材料在相应带隙范围内对振动具有显著的衰减效果, 某些测点的衰减量高达11.95 dB。最后, 通过试验验证了声学超材料减振方案的有效性, 为解决鱼雷动力舱段中低频振动问题提供思路。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167
摘要:
传统水陆两栖运动方式多为轮式或履带式与螺旋桨结合的双系统形态。与之相比, 单系统的水陆两栖运动方式因系统复杂度低、运动效率高成为近年来的研究热点。螺旋推进作为一种单系统水陆两栖运动方式, 在沼泽、滩涂等半流体环境下具有较好的适应性, 多年来对其在陆上行驶的研究设计较多, 对其在水中行驶的研究较为缺乏。本文对螺旋推进装置的水中性能展开研究, 根据螺旋推进的原理, 提出螺旋筒的设计方法, 采用水动力仿真方法对不同浸没深度下的螺旋筒进行推力计算, 发现螺旋筒在0.9倍浸没深度时产生的推力最大。基于自主设计研发的水陆两栖机器人样机开展水中推进测试, 结果表明在水中螺旋筒推进状态稳定。进一步的, 使用响应面法从螺旋叶片高度、螺距两个方面对螺旋筒开展优化设计工作, 优化结果较原设计方案可提升18.2%的推进效率。
传统水陆两栖运动方式多为轮式或履带式与螺旋桨结合的双系统形态。与之相比, 单系统的水陆两栖运动方式因系统复杂度低、运动效率高成为近年来的研究热点。螺旋推进作为一种单系统水陆两栖运动方式, 在沼泽、滩涂等半流体环境下具有较好的适应性, 多年来对其在陆上行驶的研究设计较多, 对其在水中行驶的研究较为缺乏。本文对螺旋推进装置的水中性能展开研究, 根据螺旋推进的原理, 提出螺旋筒的设计方法, 采用水动力仿真方法对不同浸没深度下的螺旋筒进行推力计算, 发现螺旋筒在0.9倍浸没深度时产生的推力最大。基于自主设计研发的水陆两栖机器人样机开展水中推进测试, 结果表明在水中螺旋筒推进状态稳定。进一步的, 使用响应面法从螺旋叶片高度、螺距两个方面对螺旋筒开展优化设计工作, 优化结果较原设计方案可提升18.2%的推进效率。
