水下无人系统学报

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崔祚, 姜洪州

2020, 28(2): 119-125. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.001

[摘要](376) [PDF 1930KB](258)

摘要:
在自然界中, 大多数鱼类通过身体和尾鳍的复合波动形成独特的鱼体波曲线, 以获得其快速高效的游动性能。文中以鱼体波为研究对象, 采用复模态正交分解(COD)方法来研究鱼体的复合波动模式。从振动模态的角度看, 鱼类的游动是粘弹性鱼体在流体中的强迫振动, 鱼体波对应的是复模态振型。根据COD方法, 将鱼体波分解为纯行波和纯驻波两部分, 并利用复模态振型实部和虚部的相关系数来定义鱼体波的行波系数。通过分析鳗鲡科乐锦鳚鱼和亚鲹科虹鳟鱼的鱼体波数据, 得到对应鱼体波的行波系数分别为0.793和0.604。结果表明, 乐锦鳚鱼的鱼体波中含有较大的行波成分, 而虹鳟鱼鱼体波则含有较多的驻波成分。该结论从生物学上验证了鱼体波的复模态特性, 该特性与鱼体动力学特性以及游动模式有着密切关系。

超空泡航行器尾部滑行流场特性数值仿真与试验

张珂, 孙士明, 颜开, 王志, 李鹏

2020, 28(2): 126-130. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.002

[摘要](374) [PDF 3661KB](150)

摘要:
超空泡航行器尾部滑行升力对运动姿态具有重要影响。文中基于流体体积(VOF)多相流模型, 开展了不同后体攻角下超空泡航行器尾部在空泡内滑行过程的数值仿真, 通过与试验数据对比验证了数值仿真的有效性, 并在此基础上分析了空泡形态及尾部流场压力的变化规律。研究结果表明: 空泡在沾湿面附近由于压差作用会向航行器表面卷曲, 并引起向上的飞溅流动, 沾湿面压力沿空泡轮廓线方向的衰减速度比沿航行器下缘的衰减速度更快。研究结果可为滑行力建模提供参考。

欠驱动AUV三维路径跟踪RBF神经网络积分滑模控制

霍宇彤, 郭晨, 于浩淼

2020, 28(2): 131-138. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.003

[摘要](1723) [PDF 721KB](194)

摘要:
针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在未知参数摄动上界约束下三维路径跟踪问题, 为了抑制外界扰动和滑模控制产生的抖振, 提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络积分滑模的空间路径跟踪控制器。通过引入Serret-Frenet局部坐标系和视线法(LOS)制导律, 将路径跟踪的位置误差镇定转换为视线角误差的镇定。在此基础上, 基于Lyapunov直接法设计运动学虚拟控制律, 用以镇定视线角误差。并通过引入RBF神经网络和积分滑模面, 设计动力学路径跟踪控制器。Lyapunov稳定性理论证明了所设计的路径跟踪控制器的稳定性。仿真对比结果表明, 该路径跟踪控制器在不失快速性的前提下能够有效跟踪三维直线路径, 提高了控制精度, 且抑制了抖振, 对外界扰动具有一定的鲁棒性。

布站几何对深海时差定位精度分布特性的影响

张旭, 李智生, 邱仁贵, 董楠

2020, 28(2): 139-148. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.004

[摘要](387) [PDF 4729KB](160)

摘要:
为在深海较大区域实现海上无源目标的可靠水声定位, 测量设计中需对预选布站几何条件下的精度和覆盖特性进行有效估计。针对这一问题, 提出一种适用于多基站时差交会水声定位体制的精度分布特性仿真分析方法。以北太平洋中部海区的环境条件构设仿真场景, 采用BELLHOP高斯束射线模型计算声场, 应用Monte-Carlo方法迭加主要随机误差并传递到定位结果, 通过网格化和大子样计算分别得出4基站、5基站和6基站3类典型几何构型的均方根误差(RMSE)空间分布。分析表明, 在会聚区声信道条件下利用直达波与一次海底反射波进行定位性能有明显差异, 前者精度相对较高, 后者覆盖范围相对较大。直达波定位精度由阵中心区域向阵边缘区域逐渐减小, 而一次海底反射波定位则在阵中心数千米区域出现一个精度下降区。在处于顶角位置的基站失效或位于中心位置的基站偏移2种情况下, RMSE呈非对称分布, 仅在密集交会的局部区域有相对较高的精度, 不能保证对全海区有效覆盖。与以往的研究相比, 提出的方法满足深海条件下布站几何对精度分布和覆盖特性影响的评估与分析需求, 可为测量系统的设计与应用提供参考。

基于余弦前馈的重复运动控制算法在水下仿生推进系统中的应用

赵晓瑞, 于洋, 李真山, 赵国平, 郑林

2020, 28(2): 149-154. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.005

[摘要](335) [PDF 729KB](167)

摘要:
常规比例-积分-微分(PID)控制算法在周期性正弦运动跟随上会产生幅值衰减和相位滞后, 且负载越大其幅值衰减和相位滞后越严重, 无法满足仿生推进运动的高精度跟随要求; 针对周期性重复运动设计的重复控制器在受到外界扰动后, 其产生的补偿输出量需滞后一个运动周期才能响应, 无法适应水下变负载运行条件。基于此, 文中针对某水下推进系统在变负载工况下对低频率正弦位置指令跟踪性能问题, 在借鉴前馈控制思想的基础上, 提出了余弦前馈补偿控制算法, 与常规PID控制器一起, 构成复合前馈控制来消除正弦跟随的幅值与相位误差, 并进行了仿真与实验验证。仿真与实验结果表明, 基于余弦前馈的重复运动控制算法较传统PID控制方法效果显著, 在变负载工况下依然可以实现对给定正弦运动指令的精确跟随, 相位差较补偿之前减小了60%左右。文中的研究可为实现仿生推进系统流畅精确的周期运动提供新的解决思路。

基于可观测度反馈的SINS/DVL组合导航算法

李志炜, 岳崴, 高胜峰, 蔡鹏, 朱海荣

2020, 28(2): 155-161. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.006

[摘要](542) [PDF 889KB](170)

摘要:
针对捷联惯导/多普勒计程仪(SINS/DVL)组合导航中部分系统状态对无人水下航行器(UUV)导航精度影响较大但可观测性相对较弱的问题, 提出一种基于可观测度反馈的SINS/DVL组合导航算法。该算法通过量化分析系统各状态参数的可观测性, 根据系统状态参数在不同机动状态下可观测度不同的特点, 构造基于可观测度反馈的自适应调节因子, 增加高可观测度时的系统状态参数的估计占比, 以此来提高组合导航滤波算法的适应性和滤波估计精度。利用湖试数据对上述算法的性能进行了验证。结果表明, 可观测度反馈滤波算法累积误差明显小于常规卡尔曼滤波算法, 在相同的精度要求下, 可延长水下SINS/DVL组合导航自主航行的时间。

基于AlexNet迁移学习的磁异常信号检测方法

李启飞, 吴芳, 韩蕾蕾, 范赵鹏, 李沛宗

2020, 28(2): 162-167. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.007

[摘要](458) [PDF 3985KB](210)

摘要:
航空磁探反潜是通过磁探仪检测磁异常信号, 进行航空反潜的重要手段。针对水下目标的磁异常信号在低信噪比条件下难以检测的问题, 提出使用基于AlexNet迁移学习的磁异常信号检测方法。该方法基于卷积神经网络原理, 通过对水下目标不同态势、航空磁探平台不同飞行路线和速度情况进行仿真, 得到大量信号序列, 对其加高斯白噪声, 从而模拟磁探平台测得信号。随后对其进行短时傅里叶变换得到时频图, 并利用深度卷积神经网络模型AlexNet对时频图特征进行迁移学习训练, 最后利用测试集数据对训练后的AlexNet网络进行测试, 实现对低信噪比条件下水下目标磁异常信号的检测。仿真结果表明, 在信噪幅度比为-8 dB、虚警率为3%情况下, 对磁异常信号的检测概率达到93%。

基于斜对称阵列的水下单脉冲降维空时自适应处理

王莎, 施博, 郝程鹏

2020, 28(2): 168-173. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.008

[摘要](303) [PDF 530KB](125)

摘要:
混响作为声呐系统工作环境中的主要干扰之一, 严重影响声呐系统的检测性能。水下单脉冲空时自适应处理(STAP)能够很好地适应于水声环境, 有效提高运动声呐的混响抑制能力。但在实际混响环境中, 单脉冲STAP存在计算量过大和辅助数据不足2个局限性。文中将阵列的斜对称特性应用于单脉冲局域联合处理(JDL)-STAP中, 仿真试验结果表明, 该算法可以降低对辅助数据的依赖, 提高混响协方差矩阵的估计精度, 有效降低计算量, 提高混响的抑制性能和目标方位估计精度。

基于动态变化竞争窗口的水下无线传感器网络MAC协议

石岳, 李成, 郝琨

2020, 28(2): 174-181. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.009

[摘要](389) [PDF 481KB](112)

摘要:
为了满足自主水下航行器(AUV)与静态水底节点的高效通信, 文中设计了一种动态变化竞争窗口介质访问控制(DCCW-MAC)协议。该协议根据传感器节点与AUV的距离优化竞争窗口值, 传输成功率高的节点调整退避时间优先发送数据包, 可高效利用信道资源。仿真结果表明, 所提出的DCCW-MAC协议能够满足AUV和节点之间的通信。与传统的CW-MAC协议相比, 在节点数和泊松到达率相同的条件下,其最大吞吐量提高了5%, 端到端时延降低了15%。

基于DPSK的多载波水声跳频通信系统性能仿真

陈博恒, 王明洲, 岳玲, 寇小明, 张文波

2020, 28(2): 182-186. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.010

[摘要](349) [PDF 446KB](195)

摘要:
由于海水中介质不均匀分布、海底海面边界条件以及海水声吸收的影响, 水声信道极其复杂且不稳定, 主要表现为强多途、快时变、可用通信频带有限以及多普勒效应等, 现有水声通信系统的抗干扰能力和通信速率尚不能满足需求。基于此, 文中针对水声信道的可用通信频带较为有限且具有强多途效应等特点, 提出了一种新的水声通信体制。该方法通过结合多载波通信频带利用率高和跳频通信抗多途的优点, 建立了采用多载波跳频差分相移键控调制(MC/FH-DPSK)的水声通信系统, 对其原理和实现过程进行了详细描述, 并给出了该系统在加性高斯白噪声信道、瑞利衰落信道和频率选择性两径瑞利衰落信道下的误码率性能仿真结果。仿真结果验证了该系统具有可靠的抗噪声性能, 在跳频间隙与码元宽度设置参数相同的情况下, 相比频移键控水声跳频(FH/MFSK)通信系统的带宽利用率提升了近2倍, 且抗多途能力性能与其相仿。文中的工作可为水声通信新体制的探索提供理论参考。

熔融铝水蒸气浸没射流反应数值仿真

徐升, 伊寅, 史小锋, 宗潇, 韩新波

2020, 28(2): 187-193. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.011

[摘要](328) [PDF 1698KB](160)

摘要:
熔融铝水蒸气浸没射流反应可作为氢氧闭式循环动力系统的新型制氢方法, 能够提高制氢速率和氢气发生器的稳定可控性, 但反应具有高温、不透明和局部流动状态复杂等特点, 难以通过常规方法对其流场进行观测。为探究其流场特性, 文中使用Fluent非预混燃烧模型对该反应进行了数值仿真。通过理想混合物密度计算方法对概率密度函数查询表的精度进行了提升, 使数值模型能更准确地模拟气液反应, 得到了熔融铝水蒸气浸没射流反应流场的参数分布以及不同水蒸气入口速度条件下流场温度分布和水蒸气核心区的变化规律。研究结果表明, 文中数值模型能够较合理地模拟射流燃烧反应; 熔融铝水蒸气反应射流流场由水蒸气核心区和混合产物区组成, 其中水蒸气核心区在射流区域中占据的空间远小于混合产物区; 当水蒸气入口速度增加时, 高温区最高温度增高且体积增大、水蒸气核心区长度增长。研究结果将为进一步研究熔融铝水蒸气浸没射流反应和设计氢气发生器提供参考。

基于全阶状态滑模观测器的混合永磁记忆电机磁链观测

姜晓奇, 刘维亭, 魏海峰, 张懿

2020, 28(2): 194-201. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.012

[摘要](313) [PDF 626KB](173)

摘要:
由于混合永磁记忆电机(HPMMM)永磁体在线充磁与去磁时转子磁链定向难度大, 针对HPMMM永磁体在线调磁时磁链观测精度不高的问题, 提出了一种基于全阶状态滑模观测器的混合磁链观测方法。该方法采用全阶磁链观测器并结合滑模反馈部分保证电流观测值收敛于真实值, 同时对HPMMM定子电流与转子磁链实时观测，进而获得更高精度的转子磁链观测。全阶状态滑膜观测器应用于HPMMM矢量控制策略中, 优化了系统整体控制复杂程度。最后通过仿真对比分析, 相比传统永磁同步电机而言, HPMMM调速范围更宽, 交直轴电流波动较小, 收敛于实际磁链速度更快, 表明该方法能进一步提高交流脉冲对HPMMM充磁和去磁时磁场定向的准确性, 增加系统参数鲁棒性、稳定性。

并列超空泡射弹弹道特性研究

刘富强, 罗凯, 黄闯, 古鉴霄, 董兴杰, 蒲汉平

2020, 28(2): 202-208. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.013

[摘要](450) [PDF 2309KB](222)

摘要:
为了研究不同间距并列射弹对射弹的流体动力特性和弹道特性的影响, 文中基于流体体积函数(VOF)多相流模型, 采用多重参考系和动网格及移动计算域技术, 建立射弹入水仿真模型, 对单射弹和并列射弹的入水自由减速过程进行数值仿真。结果表明: 并列发射工况下, 射弹受到侧向力, 有攻角航行时空泡形态发生明显偏移, 射弹更容易穿刺空泡, 并且并列间距越小, 穿刺距离越长; 并列射弹的阻力系数明显高于单发射弹, 当并列间距为75 mm时, 阻力系数增加34.92%; 并列射弹的运动稳定性受到并列间距的影响, 在并列间距为50 mm弹径工况中, 并列射弹发生颠覆, 弹道失稳; 随着并列间距的增大该影响逐渐减弱, 当并列间距为100 mm弹径时, 并列射弹弹道稳定。研究结果可为并列超空泡射弹的工程应用提供参考。

一种战斗部用DNAN基炸药热塑态装药改进工艺

哈海荣, 王团盟, 鲁忠宝, 黎勤, 靳冬

2020, 28(2): 209-213. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.014

[摘要](417) [PDF 1515KB](193)

摘要:
为减少战斗部内部装药补缩量不足导致的装药缺陷, 提高装药质量, 增加装药密度和装药量,优化炸药的爆轰性能, 增强战斗部的毁伤威力, 文中在常规热塑态装药的工艺基础上, 以DNAN基含铝炸药为对象, 提出了一种战斗部用DNAN基炸药热塑态装药改进工艺。该改进工艺采取保证保温装置温度、减缓注药速度、减少炸药转运、减小降温梯度、延长保温时间以及重新设计装药补缩装置等措施, 以提高战斗部装药的内部质量, 减少缺陷, 进而提高战斗部的安全性。改进工艺前后的对比试验表明, 改进后的战斗部装药密度从1.70 g/cm3提高到1.78 g/cm3, 增加了4.71%; 战斗部装药量和装药内部质量均得到提升, 弥补了装药缺陷, 抑制了缩孔和空隙的产生。热塑态装药改进工艺简单易行、实用可靠, 可为大、中型战斗部热塑态装药质量的提高提供参考。

新型闭式铝粉燃烧斯特林机水下动力系统构型分析

金旭东, 吕田, 兰健

2020, 28(2): 214-219. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.015

[摘要](252) [PDF 838KB](151)

摘要:
针对现有的动力电池、柴油-液氧型斯特林机等常规水下动力系统的能量密度多在300 W·h/kg以内的问题, 提出了一种以铝粉燃烧为基础的新型高能量密度斯特林水下动力系统方案。通过数值仿真方法, 分别构建了铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统以及铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统, 并与传统柴油-液氧斯特林机动力系统进行了能量密度以及燃料成本的比较。结果发现, 铝水燃烧联合燃氢斯特林机水下动力系统的能量密度高达648 Wh/L, 为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍, 燃料成本为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的2倍; 铝水燃烧+氢氧燃烧联合液钠斯特林机水下动力系统的能量密度为传统柴油-液氧斯特林机动力系统的1.7倍。可见, 新型闭式铝粉燃烧斯特林水下动力系统有着良好的发展潜力, 可为未来水下动力系统的设计提供理论参考。

无人水下发射试验设施方案设计构想

宋杰

2020, 28(2): 220-224. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.016

[摘要](274) [PDF 798KB](132)

摘要:
为考核水下发射技术并有效规避水下发射航行器的试验风险, 发展无人水下发射试验设施已成为开展水下发射技术研究的重要技术途径。文中在借鉴国外试验设施设计思路的基础上, 根据任务需求提出了锚泊式、桩腿自升式和沉箱式3种海上无人水下发射试验设施方案设计构想, 分别简述了系统组成和功能、系统工作原理以及工作过程。3种方案均基于真实的海洋环境条件, 较为逼真地模拟了真实的水下发射平台发射条件; 采用无人值守方式以保证方案的安全性; 并借鉴船舶、潜艇和海上平台设计等成熟技术增加了试验设施设计方案的可行性。最后从技术难点、组织实施和逼真程度等方面对3种方案进行了比较分析。分析结果可知, 从海洋环境要素、组织实施、维护保养及技术实现难度等方面来看, 3种方案均可满足航行器水下发射和测试需求, 其中锚泊式发射平台方案最具优势。

一种武器装备体系组合试验验证与评估方法

李杰, 朱勇

2020, 28(2): 225-230. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.02.017

[摘要](285) [PDF 366KB](136)

摘要:
针对武器装备体系试验验证存在的完整体系试验难以开展而仿真推演又存在一定偏差的问题, 文中提出一种体系试验组合验证思路, 将体系试验分解成多个串联的试验阶段/环节, 各试验阶段/环节可在不同试验场进行或通过仿真推演实现。经推导得出, 体系组合试验验证等效的关键在于试验阶段/环节的马尔可夫性, 归纳并提出了试验阶段/环节马尔可夫性的关键公式, 并给出了特殊情况的处理方法, 最后建立了适用于体系组合试验验证的评估方法。文中方法可满足武器装备体系试验验证与评估需要。

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