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, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0005
摘要:
为了赋予自主水下航行器(AUV)更强的路径规划能力, 文中提出了“舵板+矢量推进器”的联合控制方法, 并利用深度强化学习技术分配舵板和矢量喷管的使用比例, 用以在舵板控制的高能效性和矢量喷管控制的高机动性之间进行权衡, 使得AUV以较低能耗到达目标点。一方面, 文中建立起矢量推进AUV的动力学模型, 验证了矢量推进器会提高AUV的机动性, 但同时存在降低AUV能效的问题; 另一方面, 文中利用改进的近端策略优化算法(IPPO)解决联合控制背景下的路径规划问题, 该方法首先针对问题的动作空间有界的特点利用Beta分布建模策略分布, 并根据矢量推进器的特性在奖励函数中加大对矢量喷管控制的惩罚; 其次改进了PPO的参数更新策略并引入了“回滚机制”提高了算法的收敛效率。文末的仿真验证了文中所提算法能够在联合控制的背景下、复杂的环境中完成路径规划任务, 且在收敛速度及路径的最优性上优于未改进的算法。
为了赋予自主水下航行器(AUV)更强的路径规划能力, 文中提出了“舵板+矢量推进器”的联合控制方法, 并利用深度强化学习技术分配舵板和矢量喷管的使用比例, 用以在舵板控制的高能效性和矢量喷管控制的高机动性之间进行权衡, 使得AUV以较低能耗到达目标点。一方面, 文中建立起矢量推进AUV的动力学模型, 验证了矢量推进器会提高AUV的机动性, 但同时存在降低AUV能效的问题; 另一方面, 文中利用改进的近端策略优化算法(IPPO)解决联合控制背景下的路径规划问题, 该方法首先针对问题的动作空间有界的特点利用Beta分布建模策略分布, 并根据矢量推进器的特性在奖励函数中加大对矢量喷管控制的惩罚; 其次改进了PPO的参数更新策略并引入了“回滚机制”提高了算法的收敛效率。文末的仿真验证了文中所提算法能够在联合控制的背景下、复杂的环境中完成路径规划任务, 且在收敛速度及路径的最优性上优于未改进的算法。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0002
摘要:
海洋装备的跌落安全在日常勤务操作中至关重要。针对某装备全尺寸跌落的安全性, 采用LS-DYNA软件, 建立了整体结构的有限元仿真计算模型, 对整体结构从5 m高度水平跌落过程进行数值仿真分析, 获取含能材料和各舱段的冲击响应规律。结果表明, 整体结构在5 m水平跌落条件下, 经多次反弹后各舱段材料内部产生塑性变形; 含能材料在整体结构和地面碰撞点内腔对应位置处应力最大, 含能材料内局部压力超过屈服强度产生变形, 在整个碰撞过程中虽没有发生点火反应, 但含能材料内部应力、温度和反应度数值有低幅变化, 局部发生轻微化学反应。结合整体结构5 m水平跌落试验进行验证, 试验结果与仿真结果趋于一致, 不燃不爆。文中研究可用于其他海洋装备的全尺寸跌落的安全性分析和考核评估, 有效指导海洋装备的安全性设计和工程研制。
海洋装备的跌落安全在日常勤务操作中至关重要。针对某装备全尺寸跌落的安全性, 采用LS-DYNA软件, 建立了整体结构的有限元仿真计算模型, 对整体结构从5 m高度水平跌落过程进行数值仿真分析, 获取含能材料和各舱段的冲击响应规律。结果表明, 整体结构在5 m水平跌落条件下, 经多次反弹后各舱段材料内部产生塑性变形; 含能材料在整体结构和地面碰撞点内腔对应位置处应力最大, 含能材料内局部压力超过屈服强度产生变形, 在整个碰撞过程中虽没有发生点火反应, 但含能材料内部应力、温度和反应度数值有低幅变化, 局部发生轻微化学反应。结合整体结构5 m水平跌落试验进行验证, 试验结果与仿真结果趋于一致, 不燃不爆。文中研究可用于其他海洋装备的全尺寸跌落的安全性分析和考核评估, 有效指导海洋装备的安全性设计和工程研制。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0042
摘要:
针对长续航水下滑翔机声学适配结构设计中流体动力性能与声学探测性能难以协同优化的技术瓶颈, 提出一种融合流线型减阻与声学散射增强的双目标协同设计方法。通过构建CFD-FEM多物理场联合仿真框架, 创新性地整合STAR-CCM+粘性流体求解器与COMSOL Multiphysics声固耦合模型, 突破传统单学科优化局限, 实现流体动力特性与声场散射特征的全耦合分析。基于Myring线型方程建立参数化几何模型, 引入锐度因子和长径比作为关键设计变量, 采用智能优化算法开展多目标协同寻优。研究结果表明: 优化后的声学适配结构在0.5~3 m/s航速范围内总阻力降低10.4%~15.6%, 其中长径比为1.875、锐度因子n=2的构型在1 m/s航速下阻力降低至8.178 N; 声学性能方面, 2 000 Hz平面波入射时散射声压级提升1.5 dB, 旁瓣抑制能力增强2~3 dB, 声学接收指向性提升显著。通过攻角试验验证, 优化方案在±10°攻角范围内保持阻力降幅6%~17%, 有效解决了传统设计中流体阻力与声学性能的耦合冲突。文中研究构建的"流-固-声"多物理场协同优化范式, 为新一代长航时-强探测复合型水下滑翔机的工程化设计提供了理论支撑, 拓展了水下航行器多学科优化方法体系。
针对长续航水下滑翔机声学适配结构设计中流体动力性能与声学探测性能难以协同优化的技术瓶颈, 提出一种融合流线型减阻与声学散射增强的双目标协同设计方法。通过构建CFD-FEM多物理场联合仿真框架, 创新性地整合STAR-CCM+粘性流体求解器与COMSOL Multiphysics声固耦合模型, 突破传统单学科优化局限, 实现流体动力特性与声场散射特征的全耦合分析。基于Myring线型方程建立参数化几何模型, 引入锐度因子和长径比作为关键设计变量, 采用智能优化算法开展多目标协同寻优。研究结果表明: 优化后的声学适配结构在0.5~3 m/s航速范围内总阻力降低10.4%~15.6%, 其中长径比为1.875、锐度因子n=2的构型在1 m/s航速下阻力降低至8.178 N; 声学性能方面, 2 000 Hz平面波入射时散射声压级提升1.5 dB, 旁瓣抑制能力增强2~3 dB, 声学接收指向性提升显著。通过攻角试验验证, 优化方案在±10°攻角范围内保持阻力降幅6%~17%, 有效解决了传统设计中流体阻力与声学性能的耦合冲突。文中研究构建的"流-固-声"多物理场协同优化范式, 为新一代长航时-强探测复合型水下滑翔机的工程化设计提供了理论支撑, 拓展了水下航行器多学科优化方法体系。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0019
摘要:
随着全球海洋开发和利用的不断深入, 海洋浮标作为重要的海洋观测设备, 在海洋环境监测、气象预报及海洋资源开发等领域发挥着关键作用。然而, 海洋浮标通常远离陆地, 面临着远距离数据传输和设备功耗限制等挑战。传统的卫星通信技术为远海浮标提供了可靠的通信方式。5G技术发展为近海浮标提供了新的可能性。随着物联网技术的快速发展, 现代低功耗广域网技术如LoRa、Sigfox和NB-IoT等, 逐渐成为海洋浮标无线通信的重要选择。新兴的低轨卫星星座技术也为海洋浮标提供了全球范围的通信支持, 尤其在超远距离和深海环境下表现优异。文中综述了当前适用于海洋浮标的低功耗无线通信技术, 重点分析了低功耗广域网技术、5G及低轨卫星通信的应用前景与技术挑战, 提出了未来的发展方向, 以期为推动海洋浮标通信系统的发展提供参考。
随着全球海洋开发和利用的不断深入, 海洋浮标作为重要的海洋观测设备, 在海洋环境监测、气象预报及海洋资源开发等领域发挥着关键作用。然而, 海洋浮标通常远离陆地, 面临着远距离数据传输和设备功耗限制等挑战。传统的卫星通信技术为远海浮标提供了可靠的通信方式。5G技术发展为近海浮标提供了新的可能性。随着物联网技术的快速发展, 现代低功耗广域网技术如LoRa、Sigfox和NB-IoT等, 逐渐成为海洋浮标无线通信的重要选择。新兴的低轨卫星星座技术也为海洋浮标提供了全球范围的通信支持, 尤其在超远距离和深海环境下表现优异。文中综述了当前适用于海洋浮标的低功耗无线通信技术, 重点分析了低功耗广域网技术、5G及低轨卫星通信的应用前景与技术挑战, 提出了未来的发展方向, 以期为推动海洋浮标通信系统的发展提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0038
摘要:
感应电机无速度传感器控制技术因其减小系统成本和体积、优化硬件结构、可靠性高且易于维护等诸多优点, 已成为现代工业自动化、机器人控制和电动汽车驱动等领域的重要技术手段。然而, 尽管感应电机无速度传感器技术在许多方面表现出色, 但在低速发电区域内仍存在一些关键问题。系统在低速运行时可能会出现不稳定问题, 且系统低速控制性能易受到定子电阻变化的影响。针对这些问题, 文中对感应电机降阶磁链观测器的增益设计进行优化, 在不添加额外的定子电阻自适应或者定子电阻在线辨识环节的前提下, 实现了降阶磁链观测器在低速发电区域的稳定性和对定子电阻变化的强鲁棒性。为了充分验证所提出方法的有效性和通用性, 文中在不同功率等级电机和不同定子电阻误差情况下进行整个低速范围内的带载实验。实验结果表明, 优化后的降阶磁链观测器在整个低速区域内表现出优异的稳定性和定子电阻鲁棒性, 系统控制性能得到了显著提升。
感应电机无速度传感器控制技术因其减小系统成本和体积、优化硬件结构、可靠性高且易于维护等诸多优点, 已成为现代工业自动化、机器人控制和电动汽车驱动等领域的重要技术手段。然而, 尽管感应电机无速度传感器技术在许多方面表现出色, 但在低速发电区域内仍存在一些关键问题。系统在低速运行时可能会出现不稳定问题, 且系统低速控制性能易受到定子电阻变化的影响。针对这些问题, 文中对感应电机降阶磁链观测器的增益设计进行优化, 在不添加额外的定子电阻自适应或者定子电阻在线辨识环节的前提下, 实现了降阶磁链观测器在低速发电区域的稳定性和对定子电阻变化的强鲁棒性。为了充分验证所提出方法的有效性和通用性, 文中在不同功率等级电机和不同定子电阻误差情况下进行整个低速范围内的带载实验。实验结果表明, 优化后的降阶磁链观测器在整个低速区域内表现出优异的稳定性和定子电阻鲁棒性, 系统控制性能得到了显著提升。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0041
摘要:
为研究箱体、轴和花键联轴器的结构柔性对齿轮啮合刚度和传动系统动力学响应的影响, 对比不同建模方式之间的差异, 以功率三分支减速器为研究对象, 建立了减速器的全柔体耦合动力学模型以及将不同部件考虑为刚性的动力学模型, 采用时域和频域分析方法, 研究了结构柔性对齿轮啮合刚度和传动系统动力学响应的影响规律。研究结果表明: 部件柔性对齿轮啮合刚度的影响可以忽略; 箱体柔性对系统振动特性影响较大, 尤其箱体模态与啮频重合或接近时, 共振使得系统振动响应幅值显著增大; 忽略轴的柔性, 可能导致某些啮频谱线丢失; 花键联轴器柔性仅影响其连接轴的振动特性, 对系统其它部分的振动响应影响较小。因此根据分析目的的不同, 需要采用不同的分析模型。分析啮合刚度时, 仅需要建立刚体模型; 而分析系统振动特性时, 则需要使用全柔体模型。
为研究箱体、轴和花键联轴器的结构柔性对齿轮啮合刚度和传动系统动力学响应的影响, 对比不同建模方式之间的差异, 以功率三分支减速器为研究对象, 建立了减速器的全柔体耦合动力学模型以及将不同部件考虑为刚性的动力学模型, 采用时域和频域分析方法, 研究了结构柔性对齿轮啮合刚度和传动系统动力学响应的影响规律。研究结果表明: 部件柔性对齿轮啮合刚度的影响可以忽略; 箱体柔性对系统振动特性影响较大, 尤其箱体模态与啮频重合或接近时, 共振使得系统振动响应幅值显著增大; 忽略轴的柔性, 可能导致某些啮频谱线丢失; 花键联轴器柔性仅影响其连接轴的振动特性, 对系统其它部分的振动响应影响较小。因此根据分析目的的不同, 需要采用不同的分析模型。分析啮合刚度时, 仅需要建立刚体模型; 而分析系统振动特性时, 则需要使用全柔体模型。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0166
摘要:
针对水下航行器推进系统中永磁电机在深度弱磁工况下稳定性欠佳的问题, 文中以内置式永磁同步电机(IPMSM)为对象, 提出了一种基于改进双幂次趋近率的积分终端滑模的单电流调节器弱磁控制方法。该方法以电流极限圆和电压极限圆为基础, 在IPMSM基速以下采用最大转矩电流比(MTPA)控制, 基速以上采用变交轴电压单电流调节器(SCR-VQV)弱磁控制策略; 为增强系统的鲁棒性, 在SCR-VQV控制的转速外环中提出一种改进双幂次趋近率的积分终端滑模控制(ITSMC)替代传统PI控制; 最后通过实验证明了该弱磁控制系统稳定的深度弱磁能力。
针对水下航行器推进系统中永磁电机在深度弱磁工况下稳定性欠佳的问题, 文中以内置式永磁同步电机(IPMSM)为对象, 提出了一种基于改进双幂次趋近率的积分终端滑模的单电流调节器弱磁控制方法。该方法以电流极限圆和电压极限圆为基础, 在IPMSM基速以下采用最大转矩电流比(MTPA)控制, 基速以上采用变交轴电压单电流调节器(SCR-VQV)弱磁控制策略; 为增强系统的鲁棒性, 在SCR-VQV控制的转速外环中提出一种改进双幂次趋近率的积分终端滑模控制(ITSMC)替代传统PI控制; 最后通过实验证明了该弱磁控制系统稳定的深度弱磁能力。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0050
摘要:
在无人艇(USV)技术研究领域, 自主算法的验证与优化是推动该领域技术发展的关键环节, 对于提升系统可靠性、环境适应性和任务执行效能具有重要的研究价值。随着数字孪生技术的快速发展, 基于虚实融合的验证方法已成为智能控制算法研究的重要技术手段。鉴于此, 文中提出了基于虚实融合的USV集群编队控制验证方法。首先, 提出了面向USV集群的虚实融合五维模型概念, 为试验验证提供理论基础; 其次, 搭建了USV物理实验平台, 可在实际海洋环境进行自主航行与控制; 然后, 采用Unity3D软件搭建虚拟实验环境, 建模海上环境和USV模型, 并与实际物理节点实现了通信。最后, 设计无人自主控制算法, 实现了USV编队控制。实验结果表明, 文中提出的系统方法能够有效用于USV集群自主算法的验证, 为未来海上无人装备智能协同作战和模拟对抗训练提供了新思路和新范式。
在无人艇(USV)技术研究领域, 自主算法的验证与优化是推动该领域技术发展的关键环节, 对于提升系统可靠性、环境适应性和任务执行效能具有重要的研究价值。随着数字孪生技术的快速发展, 基于虚实融合的验证方法已成为智能控制算法研究的重要技术手段。鉴于此, 文中提出了基于虚实融合的USV集群编队控制验证方法。首先, 提出了面向USV集群的虚实融合五维模型概念, 为试验验证提供理论基础; 其次, 搭建了USV物理实验平台, 可在实际海洋环境进行自主航行与控制; 然后, 采用Unity3D软件搭建虚拟实验环境, 建模海上环境和USV模型, 并与实际物理节点实现了通信。最后, 设计无人自主控制算法, 实现了USV编队控制。实验结果表明, 文中提出的系统方法能够有效用于USV集群自主算法的验证, 为未来海上无人装备智能协同作战和模拟对抗训练提供了新思路和新范式。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0023
摘要:
爆轰产物状态方程是计算爆炸力学的基本方程之一, 其参数的取值变化会对数值分析结果产生直接影响。文中研究聚焦于TNT炸药JWL状态方程参数对水下爆炸冲击波数值仿真的影响, 基于LS-DYNA有限元程序, 通过与经验公式对比构建精细的一维水下爆炸数值模型, 深入分析爆轰产物JWL状态方程各参数不同取值下爆炸冲击波压力衰减规律以及能量释放等关键过程的变化规律。结果显示, JWL状态方程参数对水下爆炸冲击波峰值压力、比冲量及比冲击波能等参数均有重要影响, 且在不同爆心距离上的影响不尽相同, 在峰值压力方面, 近场范围R1影响远大于其他参数, 而中远场范围则是E0影响最大, 且峰值压力越大衰减越快; 比冲量方面E0的改变影响最大, 且改变E0时比冲量计算值与参数大小成线性关系; 比冲击波能方面同样E0影响最大。研究结果可为水下爆炸数值仿真中JWL方程参数合理取值提供参考依据。
爆轰产物状态方程是计算爆炸力学的基本方程之一, 其参数的取值变化会对数值分析结果产生直接影响。文中研究聚焦于TNT炸药JWL状态方程参数对水下爆炸冲击波数值仿真的影响, 基于LS-DYNA有限元程序, 通过与经验公式对比构建精细的一维水下爆炸数值模型, 深入分析爆轰产物JWL状态方程各参数不同取值下爆炸冲击波压力衰减规律以及能量释放等关键过程的变化规律。结果显示, JWL状态方程参数对水下爆炸冲击波峰值压力、比冲量及比冲击波能等参数均有重要影响, 且在不同爆心距离上的影响不尽相同, 在峰值压力方面, 近场范围R1影响远大于其他参数, 而中远场范围则是E0影响最大, 且峰值压力越大衰减越快; 比冲量方面E0的改变影响最大, 且改变E0时比冲量计算值与参数大小成线性关系; 比冲击波能方面同样E0影响最大。研究结果可为水下爆炸数值仿真中JWL方程参数合理取值提供参考依据。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177
摘要:
为解决一种新型无人水翼航行器的路径跟踪问题, 提出了一种基于视线制导法(LOS)并结合增量式比例-积分-微分控制器(IPID)的跟踪策略。首先, 建立了航行器的3自由度运动学和动力学模型, 并通过控制策略解耦了控制输入。结合可变前视距离及积分项改进了LOS制导法; IPID控制器使用ILOS算法得到的期望航向角进行跟踪过程的动态控制, 在算法中增加切换跟踪点时的补偿输入, 避免了过大变化带来的系统失控问题; 使用灰狼算法(GWO)及遗传算法(GA)对IPID控制器中的权重系数进行优化和对比。在Matlab中使用ILOS及IPID控制器对给定的直线-曲线混合路径在无干扰以及有干扰时进行路径跟踪, 分析跟踪效果以及横向误差, 验证了ILOS和IPID-GWO算法结合的可行性和先进性。
为解决一种新型无人水翼航行器的路径跟踪问题, 提出了一种基于视线制导法(LOS)并结合增量式比例-积分-微分控制器(IPID)的跟踪策略。首先, 建立了航行器的3自由度运动学和动力学模型, 并通过控制策略解耦了控制输入。结合可变前视距离及积分项改进了LOS制导法; IPID控制器使用ILOS算法得到的期望航向角进行跟踪过程的动态控制, 在算法中增加切换跟踪点时的补偿输入, 避免了过大变化带来的系统失控问题; 使用灰狼算法(GWO)及遗传算法(GA)对IPID控制器中的权重系数进行优化和对比。在Matlab中使用ILOS及IPID控制器对给定的直线-曲线混合路径在无干扰以及有干扰时进行路径跟踪, 分析跟踪效果以及横向误差, 验证了ILOS和IPID-GWO算法结合的可行性和先进性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0030
摘要:
针对无人艇避障局部路径规划问题, 依托人工势场架构, 提出了一种基于经纬度坐标水面态势动态构建的避障局部路径规划方法。首先梳理并整理了经纬度坐标系中的基本运算, 进而推导了传统势函数法的引力及斥力函数形式, 阐述了传统势函数法及其改进方法存在的在工程中虚拟目标点不好确定、被控对象轨迹无法准确预测等问题, 设计了依托水面态势动态构建的改进势函数局部路径规划算法。最后对设计的方法进行了仿真验证及海上试验, 仿真及试验结果表明, 所提出的避障路径规划工程方法能够引导无人艇完成避障任务, 具有较强的可靠性和鲁棒性。
针对无人艇避障局部路径规划问题, 依托人工势场架构, 提出了一种基于经纬度坐标水面态势动态构建的避障局部路径规划方法。首先梳理并整理了经纬度坐标系中的基本运算, 进而推导了传统势函数法的引力及斥力函数形式, 阐述了传统势函数法及其改进方法存在的在工程中虚拟目标点不好确定、被控对象轨迹无法准确预测等问题, 设计了依托水面态势动态构建的改进势函数局部路径规划算法。最后对设计的方法进行了仿真验证及海上试验, 仿真及试验结果表明, 所提出的避障路径规划工程方法能够引导无人艇完成避障任务, 具有较强的可靠性和鲁棒性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0040
摘要:
针对复杂水声环境中舰船辐射噪声线谱特征难以辨识的问题, 提出了联合自适应滤波与深度学习(DL)的线谱增强模型。该模型融合双层协同自适应滤波模块与深度学习模块, 构建多层级特征增强框架。自适应滤波模块结合频域自适应滤波(FDAF)与最大相关熵准则(MCC), 在抑制宽带背景噪声的同时提高了对非平稳噪声的抑制能力。深度学习模块采用双向长短时记忆网络(BiLSTM)提取线谱的局部时间依赖关系, 结合注意力残差机制增强对弱线谱的关注, 并利用Transformer 编码器捕捉时频域长程关联。该模型充分结合滤波和深度学习的优点, 既有效抑制噪声, 又提升了对弱线谱的增强效果。仿真验证结果表明, 该方法在整体线谱增强及弱线谱强化方面均优于单一自适应滤波或深度学习模型。湖试数据验证进一步证实了该方法的有效性。
针对复杂水声环境中舰船辐射噪声线谱特征难以辨识的问题, 提出了联合自适应滤波与深度学习(DL)的线谱增强模型。该模型融合双层协同自适应滤波模块与深度学习模块, 构建多层级特征增强框架。自适应滤波模块结合频域自适应滤波(FDAF)与最大相关熵准则(MCC), 在抑制宽带背景噪声的同时提高了对非平稳噪声的抑制能力。深度学习模块采用双向长短时记忆网络(BiLSTM)提取线谱的局部时间依赖关系, 结合注意力残差机制增强对弱线谱的关注, 并利用Transformer 编码器捕捉时频域长程关联。该模型充分结合滤波和深度学习的优点, 既有效抑制噪声, 又提升了对弱线谱的增强效果。仿真验证结果表明, 该方法在整体线谱增强及弱线谱强化方面均优于单一自适应滤波或深度学习模型。湖试数据验证进一步证实了该方法的有效性。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171
摘要:
针对水下高速动目标探测过程中主动探测周期长、数据不连续, 被动探测无法获得目标距离及难以快速进行目标运动要素有效解算的问题, 提出了基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析方法。该方法仅在探测初始时使用一次主动探测, 是一种水平面内的以被动为主、主动为辅的被动目标运动分析(TMA)方法。文中建立了数学模型并给出迭代方程, 基于目标在大部分观测时间内均保持匀速运动的先验假设, 在目标匀速运动条件下进行仿真分析, 使用Monte-Carlo方法计算了预测轨迹的均方根误差。仿真实验结果表明, 该方法相较于纯被动探测下的纯方位TMA方法误差更小, 且能够在短时间内实现对目标运动要素解算收敛, 收敛时间不大于10 s。
针对水下高速动目标探测过程中主动探测周期长、数据不连续, 被动探测无法获得目标距离及难以快速进行目标运动要素有效解算的问题, 提出了基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析方法。该方法仅在探测初始时使用一次主动探测, 是一种水平面内的以被动为主、主动为辅的被动目标运动分析(TMA)方法。文中建立了数学模型并给出迭代方程, 基于目标在大部分观测时间内均保持匀速运动的先验假设, 在目标匀速运动条件下进行仿真分析, 使用Monte-Carlo方法计算了预测轨迹的均方根误差。仿真实验结果表明, 该方法相较于纯被动探测下的纯方位TMA方法误差更小, 且能够在短时间内实现对目标运动要素解算收敛, 收敛时间不大于10 s。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0045
摘要:
侧扫声呐(SSS)因其在自主水下航行器(AUV)上的稳定性与高效性, 在海洋探测领域得到了广泛应用。然而, SSS图像获取难度大、样本数量稀少, 严重限制了基于深度神经网络(DNN)的SSS图像分类性能。针对这一问题, 文中提出了一种多尺度注意力融合网络(MSANet), 利用光学-声学图像对进行数据扩充来提升SSS图像分类模型的泛化能力。首先, 通过编码器不同层提取输入图像的浅层与深层特征, 以充分捕捉内容与风格信息。随后, 引入多尺度注意力模块(MSAM), 提取风格图像在通道维度上的局部与全局上下文信息, 并与光学特征进行高效融合, 使光学特征在不同空间位置精准匹配相应的声学特征。最终, 将不同层融合后的特征进行尺度对齐, 并输入到解码器生成高质量的模拟SSS图像样本, 用于训练SSS图像分类网络。在真实SSS图像数据集上的实验结果表明, 提出的风格迁移方法能够有效生成高质量模拟SSS图像样本, 进而提高基于DNN的SSS图像分类性能。
侧扫声呐(SSS)因其在自主水下航行器(AUV)上的稳定性与高效性, 在海洋探测领域得到了广泛应用。然而, SSS图像获取难度大、样本数量稀少, 严重限制了基于深度神经网络(DNN)的SSS图像分类性能。针对这一问题, 文中提出了一种多尺度注意力融合网络(MSANet), 利用光学-声学图像对进行数据扩充来提升SSS图像分类模型的泛化能力。首先, 通过编码器不同层提取输入图像的浅层与深层特征, 以充分捕捉内容与风格信息。随后, 引入多尺度注意力模块(MSAM), 提取风格图像在通道维度上的局部与全局上下文信息, 并与光学特征进行高效融合, 使光学特征在不同空间位置精准匹配相应的声学特征。最终, 将不同层融合后的特征进行尺度对齐, 并输入到解码器生成高质量的模拟SSS图像样本, 用于训练SSS图像分类网络。在真实SSS图像数据集上的实验结果表明, 提出的风格迁移方法能够有效生成高质量模拟SSS图像样本, 进而提高基于DNN的SSS图像分类性能。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0025
摘要:
在深海剖面浮标的剖面观测过程中, 出于浮标的低功耗设计需求, 需要采取合适的传感器采集频率以降低数据采集和传输过程中的功耗。基于自主研发的“海豚”深海剖面浮标, 结合搭载外设的具体功耗以及Argo计划中获取的温盐深(CTD)剖面数据进行仿真分析, 提出了一种基于自适应遗传算法的温盐数据采集策略优化模型, 根据相邻剖面数据具有强相关性的特点, 通过分析历史剖面数据特征规划新一轮剖面的采样方案, 在采样过程中根据数据的变化趋势适应性调整采样频率。基于实际数据的仿真分析结果表明, 通过该观测方法获取的剖面数据与实际数据相差较小, 同时相较于预编程的深度分层观测方案进一步降低了剖面浮标的整体功耗。
在深海剖面浮标的剖面观测过程中, 出于浮标的低功耗设计需求, 需要采取合适的传感器采集频率以降低数据采集和传输过程中的功耗。基于自主研发的“海豚”深海剖面浮标, 结合搭载外设的具体功耗以及Argo计划中获取的温盐深(CTD)剖面数据进行仿真分析, 提出了一种基于自适应遗传算法的温盐数据采集策略优化模型, 根据相邻剖面数据具有强相关性的特点, 通过分析历史剖面数据特征规划新一轮剖面的采样方案, 在采样过程中根据数据的变化趋势适应性调整采样频率。基于实际数据的仿真分析结果表明, 通过该观测方法获取的剖面数据与实际数据相差较小, 同时相较于预编程的深度分层观测方案进一步降低了剖面浮标的整体功耗。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0168
摘要:
针对水下无人航行器(UUV)在海洋观测、资源勘探等任务中面临的续航瓶颈问题, 文中聚焦新型可折叠太阳能翼板水动力性能优化问题。为平衡计算效率与优化精度, 以翼板点坐标、翼板各边圆角因子、翼板间隙、翼板与艇体间隙为变量, 在CAESES软件中建立翼板参数化模型, 创新性地构建了Sobol全局取样与NSGA-Ⅱ优化算法的混合优化框架: 首先利用Sobol算法在各变量阈值空间内生成80组样本点实现设计空间的充分探索, 继而通过NSGA-Ⅱ进行多代寻优。为避免传统代理模型精度衰减问题, 搭建了高精度水动力求解与优化算法耦合计算流程, 实现CAESES与STAR-CCM+软件自动联合仿真, 对配备不同形状翼板的UUV逐一进行水动力分析, 探讨不同参数组合对总阻力的影响。寻优结果表明: 两块翼板凸出艇体部分存在一定高度差有利于降低总阻力; 流场分析表明, 优化外形有效抑制了湍流引起的能量耗散。文中所提出的参数化建模-智能优化-高精度验证技术路线, 不仅降低了新构型UUV的直航阻力, 也为复杂附体优化提供了方法论参考, 对提升水下装备的能源利用效率具有重要工程价值。
针对水下无人航行器(UUV)在海洋观测、资源勘探等任务中面临的续航瓶颈问题, 文中聚焦新型可折叠太阳能翼板水动力性能优化问题。为平衡计算效率与优化精度, 以翼板点坐标、翼板各边圆角因子、翼板间隙、翼板与艇体间隙为变量, 在CAESES软件中建立翼板参数化模型, 创新性地构建了Sobol全局取样与NSGA-Ⅱ优化算法的混合优化框架: 首先利用Sobol算法在各变量阈值空间内生成80组样本点实现设计空间的充分探索, 继而通过NSGA-Ⅱ进行多代寻优。为避免传统代理模型精度衰减问题, 搭建了高精度水动力求解与优化算法耦合计算流程, 实现CAESES与STAR-CCM+软件自动联合仿真, 对配备不同形状翼板的UUV逐一进行水动力分析, 探讨不同参数组合对总阻力的影响。寻优结果表明: 两块翼板凸出艇体部分存在一定高度差有利于降低总阻力; 流场分析表明, 优化外形有效抑制了湍流引起的能量耗散。文中所提出的参数化建模-智能优化-高精度验证技术路线, 不仅降低了新构型UUV的直航阻力, 也为复杂附体优化提供了方法论参考, 对提升水下装备的能源利用效率具有重要工程价值。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0022
摘要:
针对人机交互度评估中交互内容覆盖不全面问题, 基于对不同语句结构传递信息的特点分析, 提出了信息有用度概念, 将其纳入人机交互度评估的指标体系。以此为基础, 将交互内容的核心要素作为信息模板, 构建了分级分类的信息模板库, 并设计了一种对照信息模板库计算信息有用度的方法。通过案例研究验证了信息模板库构建的合理性和信息有用度计算方法的有效性, 可为人机交互度评估提供参考和借鉴。
针对人机交互度评估中交互内容覆盖不全面问题, 基于对不同语句结构传递信息的特点分析, 提出了信息有用度概念, 将其纳入人机交互度评估的指标体系。以此为基础, 将交互内容的核心要素作为信息模板, 构建了分级分类的信息模板库, 并设计了一种对照信息模板库计算信息有用度的方法。通过案例研究验证了信息模板库构建的合理性和信息有用度计算方法的有效性, 可为人机交互度评估提供参考和借鉴。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161
摘要:
无人水下航行器(UUV)水下自主动态对接是实现其远航程协同作业的关键技术之一。针对UUV水下动态对接中对对接装置运动状态估计不足的问题, 提出交互多模型自适应无迹卡尔曼滤波(IMM-AUKF)进行运动状态估计的方法。考虑对接中UUV自身传感器获取的对接装置运动状态量测误差较大, 建立了UUV非线性观测模型, 采用自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法在线实时更新观测噪声以降低观测误差; 考虑单运动模型对UUV和对接装置相对运动描述困难, 建立了UUV与对接装置相对运动模型集, 采用交互多模型算法描述UUV与对接装置相对运动以提高滤波精度。通过UUV对接试验数据, 进行UKF、AUKF和IMM-AUKF算法对对接装置运动状态估计结果对比, 结果表明IMM-AUKF算法对对接装置运动状态估计具有较高的精确性和稳定性, 可满足水下动态对接需求, 提高UUV对接成功率。
无人水下航行器(UUV)水下自主动态对接是实现其远航程协同作业的关键技术之一。针对UUV水下动态对接中对对接装置运动状态估计不足的问题, 提出交互多模型自适应无迹卡尔曼滤波(IMM-AUKF)进行运动状态估计的方法。考虑对接中UUV自身传感器获取的对接装置运动状态量测误差较大, 建立了UUV非线性观测模型, 采用自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法在线实时更新观测噪声以降低观测误差; 考虑单运动模型对UUV和对接装置相对运动描述困难, 建立了UUV与对接装置相对运动模型集, 采用交互多模型算法描述UUV与对接装置相对运动以提高滤波精度。通过UUV对接试验数据, 进行UKF、AUKF和IMM-AUKF算法对对接装置运动状态估计结果对比, 结果表明IMM-AUKF算法对对接装置运动状态估计具有较高的精确性和稳定性, 可满足水下动态对接需求, 提高UUV对接成功率。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0175
摘要:
随着水下无人技术的发展, 声学滑翔机日趋成为海洋环境观测和水下目标探测的优势平台, 对其进行系统效能评估也成为关注重点之一。基于声学滑翔机系统的任务过程特点和影响因素, 构建了声学滑翔机系统效能评估指标体系; 考虑海洋环境和综合保障等因素对声学滑翔机的影响, 对传统ADC模型进行了优化改进; 利用层次分析法(AHP)确定了声学滑翔机系统效能三级指标权重, 并通过算例验证了该模型的可行性, 使得评估结果更加符合实际, 为后续海上无人装备效能评估提供方法参考。
随着水下无人技术的发展, 声学滑翔机日趋成为海洋环境观测和水下目标探测的优势平台, 对其进行系统效能评估也成为关注重点之一。基于声学滑翔机系统的任务过程特点和影响因素, 构建了声学滑翔机系统效能评估指标体系; 考虑海洋环境和综合保障等因素对声学滑翔机的影响, 对传统ADC模型进行了优化改进; 利用层次分析法(AHP)确定了声学滑翔机系统效能三级指标权重, 并通过算例验证了该模型的可行性, 使得评估结果更加符合实际, 为后续海上无人装备效能评估提供方法参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0162
摘要:
在深水爆炸条件下, 圆柱壳等耐压结构会出现与浅水环境下不同的失效模式, 即失稳屈曲。为研究圆柱壳结构在深水爆炸条件下发生失稳屈曲的条件, 实现对其屈曲状态的预测, 首先建立了数值仿真模型, 对不同药量、爆距和水深条件下的圆柱壳屈曲结果进行了仿真分析。基于仿真结果, 设计了随机森林模型对屈曲状态进行了预测。结果表明, 在深水环境轴向爆炸的加载条件下, 基于随机森林算法构建的预测模型可以较好地实现对特定结构参数下圆柱壳失稳状态的预测, 2种结构下的预测准确率分别达到了93.75%和87.5%, 并对药量、爆距和静压强度3种特征对结构状态影响的重要性程度进行了评价, 可为圆柱壳屈曲条件研究提供参考。
在深水爆炸条件下, 圆柱壳等耐压结构会出现与浅水环境下不同的失效模式, 即失稳屈曲。为研究圆柱壳结构在深水爆炸条件下发生失稳屈曲的条件, 实现对其屈曲状态的预测, 首先建立了数值仿真模型, 对不同药量、爆距和水深条件下的圆柱壳屈曲结果进行了仿真分析。基于仿真结果, 设计了随机森林模型对屈曲状态进行了预测。结果表明, 在深水环境轴向爆炸的加载条件下, 基于随机森林算法构建的预测模型可以较好地实现对特定结构参数下圆柱壳失稳状态的预测, 2种结构下的预测准确率分别达到了93.75%和87.5%, 并对药量、爆距和静压强度3种特征对结构状态影响的重要性程度进行了评价, 可为圆柱壳屈曲条件研究提供参考。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0156
摘要:
针对同心筒热发射过程冲击波对火箭助飞航行体头帽出筒安全性, 采用计算流体力学(CFD)软件数值仿真点火发射过程, 详细分析了固体火箭发动机产生的冲击波、燃气在同心筒内的传播过程, 得到了冲击波作用下头帽受力变化曲线, 揭示了头帽在冲击波作用下的筒内受力机理。通过某产品外场试验冲击波开盖过程试验数据, 进一步说明了头帽在冲击波环境下的受力变化过程。研究结果有助于清晰认识同心筒热发射过程冲击波作用下头帽受力变化机理, 可用于指导头帽出筒安全性设计。
针对同心筒热发射过程冲击波对火箭助飞航行体头帽出筒安全性, 采用计算流体力学(CFD)软件数值仿真点火发射过程, 详细分析了固体火箭发动机产生的冲击波、燃气在同心筒内的传播过程, 得到了冲击波作用下头帽受力变化曲线, 揭示了头帽在冲击波作用下的筒内受力机理。通过某产品外场试验冲击波开盖过程试验数据, 进一步说明了头帽在冲击波环境下的受力变化过程。研究结果有助于清晰认识同心筒热发射过程冲击波作用下头帽受力变化机理, 可用于指导头帽出筒安全性设计。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0036
摘要:
作为海上风力发电场电能输送的关键通道, 海底电缆的安全运行对系统稳定至关重要, 但由于其所处环境复杂, 针对海缆的三维重建技术成为其检测和维护的关键手段。目前常规的海缆三维重建方法成本高, 且在深海环境下效果有所下降。因此, 文中提出一种基于高速遥控水下航行器(ROV)巡航的声呐海缆三维重建方法, 借鉴了合成孔径思想, 并采用空间雕刻的方法简化计算, 综合处理ROV巡航过程中多次声呐观测信息共同反映的空间占据情况。在仿真试验中开展了与主流方法的对比, 结果显示文中方法使用常规的多波束图像声呐不仅降低了海缆重建的成本, 还能实现更高的重建精度, 具有重要的应用价值和推广潜力。
作为海上风力发电场电能输送的关键通道, 海底电缆的安全运行对系统稳定至关重要, 但由于其所处环境复杂, 针对海缆的三维重建技术成为其检测和维护的关键手段。目前常规的海缆三维重建方法成本高, 且在深海环境下效果有所下降。因此, 文中提出一种基于高速遥控水下航行器(ROV)巡航的声呐海缆三维重建方法, 借鉴了合成孔径思想, 并采用空间雕刻的方法简化计算, 综合处理ROV巡航过程中多次声呐观测信息共同反映的空间占据情况。在仿真试验中开展了与主流方法的对比, 结果显示文中方法使用常规的多波束图像声呐不仅降低了海缆重建的成本, 还能实现更高的重建精度, 具有重要的应用价值和推广潜力。
, 最新更新时间 , doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0153
摘要:
分离头盖是深海无人系统的特种耐压结构, 需兼顾水下长期耐压与水面快速分离功能。为研究深海特种耐压结构水面-水下复杂工况综合性能, 研制了分离头盖实尺度结构模型开展水压试验和分离试验研究。首先, 针对分离头盖水下服役时面临的长周期海水压力环境试验工况需求, 基于国内现有的常规深海环境模拟试验系统, 提出了一种通过带皮囊球的舱室装置来实现大深度海水-压力耦合环境模拟的试验方法。再者, 针对分离头盖出水后的水面状态(空气中)快速分离试验工况需求, 建立了一套安全可靠的斜法兰连接结构模型快速分离试验系统。分离头盖实尺度模型试验结果表明, 论文提出的特种耐压结构水面-水下复杂工况试验方法合理可行, 不仅可用于分离头盖的水压试验和分离试验研究, 也可为其他深海装备类似耐压结构的相关设计与试验提供一定参考。
分离头盖是深海无人系统的特种耐压结构, 需兼顾水下长期耐压与水面快速分离功能。为研究深海特种耐压结构水面-水下复杂工况综合性能, 研制了分离头盖实尺度结构模型开展水压试验和分离试验研究。首先, 针对分离头盖水下服役时面临的长周期海水压力环境试验工况需求, 基于国内现有的常规深海环境模拟试验系统, 提出了一种通过带皮囊球的舱室装置来实现大深度海水-压力耦合环境模拟的试验方法。再者, 针对分离头盖出水后的水面状态(空气中)快速分离试验工况需求, 建立了一套安全可靠的斜法兰连接结构模型快速分离试验系统。分离头盖实尺度模型试验结果表明, 论文提出的特种耐压结构水面-水下复杂工况试验方法合理可行, 不仅可用于分离头盖的水压试验和分离试验研究, 也可为其他深海装备类似耐压结构的相关设计与试验提供一定参考。
, 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。
