水下无人系统学报

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孙秀军, 李宗萱, 杨燕, 周莹, 桑宏强

2020, 28(5): 471-479. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.001

[摘要](308) [PDF 1658KB](329)

摘要:
计算机仿真或水槽实验的方法难以准确反映真实海况下的波高和波周期与波浪滑翔器的波浪驱动速度的映射关系。文中采用“黑珍珠”小型波浪滑翔器搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、波浪传感器和全球定位系统等载荷, 获得了波高、波周期、流速以及位置坐标等数据, 利用ADCP底跟踪模式测量的波浪滑翔器对地速度矢量减去ADCP测得的剖面流速矢量, 计算出波浪滑翔器的波浪驱动速度矢量, 建立波浪驱动速度与海浪波高和波周期的散点图, 并采用拟合曲线找出波浪驱动速度与海浪参数之间的映射关系。文中推导出的波浪驱动速度在一定参数范围内与波高呈正相关、与波周期呈负相关的预测模型, 可为波浪滑翔器的波浪动力转换机构优化设计提供指导。

基于被动时反-随机共振的水下弱信号参数优化检测方法

冼敏元, 赵春燕, 何轲, 王冬石, 付金宝, 吕小鹏, 季赵胜

2020, 28(5): 480-496. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.002

[摘要](224) [PDF 746KB](175)

摘要:
在水下弱信号检测领域中, 信道传输中的多径效应与接收信号的低信噪比问题极大地增加了水下弱信号的检测难度。文中基于水声射线理论模型, 提出一种基于被动时反-随机共振(PTR-SR)的水下弱信号参数优化检测方法。该方法结合了时间反转与随机共振的优势, 利用时反方法将水下多径干扰转换为信号增益, 利用随机共振方法将部分噪声能量转移到目标信号中, 同时对增益幅值参数Asr进行优化, 提升低信噪比环境下接收信号的信噪比增益, 并进行了仿真试验分析。仿真结果表明, PTR-SR联合检测方法性能优于传统方法, 可有效提升信号输入-输出信噪比增益, 并能够在更低信噪比下有效进行微弱信号检测。文中方法可为水下弱信号检测技术提供理论和技术支持。

水下低频球面声波近场与远场散射特性研究

张健, 周奇郑, 王德石

2020, 28(5): 487-495. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.003

[摘要](303) [PDF 839KB](262)

摘要:
为研究水下低频声波的散射机理, 推导出了低频球面声波近场与远场散射声压的统一渐近解。首先, 给出了低频球面声波遇到软、刚性阻抗等球形障碍物散射声压的无穷级数解; 结合低频、近场和远场的假设条件, 合理选取无穷级数解中球Bessel函数、球Hankel函数的近似形式, 分别推导出了近场和远场散射声压的渐近解; 在声源距散射体较近的假设条件下, 推导出了近场和远场散射声压的统一渐近解。以此为基础, 研究了低频球面声波的近场和远场散射特性, 研究表明: 低频球面声波的散射声压可以表示为单极子声源和偶极子源的叠加, 推导出的统一渐近解与经典解在低频条件下能够保持一致; 声源距障碍物较近、接收点距声源或障碍物较远时, 软球体的回声强度为圆形, 而刚性球体和阻抗球的回声强度为葫芦形; 声源距障碍物较远、接收点距声源较近时, 回声强度与其形状有关。研究结果可为水下目标的低频探测、低频声波散射的控制提供理论参考。

基于导管螺旋桨负载的ROV推进器滑模控制

徐鹏程, 曾庆军, 陈尧伟, 朱志宇, 戴晓强, 凌宏杰

2020, 28(5): 496-504. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.004

[摘要](641) [PDF 2105KB](139)

摘要:
针对自主研发的水下辅助采油遥控机器人(ROV)的运动控制与其推进系统控制的需求, 文中提出了一种新型的基于导管螺旋桨负载特性的ROV推进器永磁同步电机(PMSM)滑模控制器。阐述了ROV及其推进器的系统组成, 建立了基于导管螺旋桨负载特性的ROV推进器系统数学模型, 设计了基于全局快速终端滑模算法的ROV推进电机转速控制器, 通过仿真分析, 比较了不同控制算法下基于导管螺旋桨负载的PMSM动态响应性能。仿真结果表明, 文中提出的新型滑模控制器能够使ROV推进器系统具有更快的动态响应速度和更好的稳定性, 同时验证了文中设计的滑模控制器在水下推进器控制系统应用的可行性和有效性, 为水下辅助采油ROV的运动控制和动力分配策略的研究提供参考。

基于多蚁群协同搜索算法的多AUV路径规划

岳伟, 席云, 关显赫

2020, 28(5): 505-511. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.005

[摘要](984) [PDF 570KB](203)

摘要:
针对未知环境下多自主水下航行器(AUVs)在不考虑声呐探测距离, 优化指标单一情况下的协同搜索问题, 综合探测距离对目标发现概率的影响, 以及AUV转向和避碰威胁等影响因素, 提出一种基于先验信息的多蚁群协同路径规划算法。首先, 根据目标分布的先验信息建立基于搜索区域栅格化的目标概率分布图; 然后, 按照目标概率分布初始化信息素浓度, 利用先验信息指导各种群蚂蚁搜索, 并根据目标概率大小设计状态转移规则, 使得目标发现概率最大化; 最后, 按照搜索路径解的优劣来更新信息素浓度。仿真验证了文中搜索策略的有效性。

基于视觉信息丢失的机器鱼运动控制算法

谢景鹏, 李宗刚, 杜亚江, 葛立明

2020, 28(5): 512-519. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.006

[摘要](282) [PDF 2934KB](126)

摘要:
针对多机器鱼运动控制中视觉信息丢失的情况, 提出了一种运动补偿控制算法。首先, 针对机器鱼识别状态, 阐述了一种基于事件频率的二次滤波法判定策略。在此基础上建立了半闭环控制的直线追踪法数学模型, 通过对动作矩阵的计算和规划, 从而实现机器鱼近似直线的运动控制。然后基于时间-角度关系, 对圆弧切线法进行了推导, 进而实现在时间域内对机器鱼转弯的运动控制。仿真和实验结果均表明所提算法可以解决在视觉丢失问题下仿生机器鱼的运动控制问题。

声自导鱼雷目标跟踪误差仿真与分析

杨向锋, 熊淑贞, 石磊

2020, 28(5): 520-525. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.007

[摘要](849) [PDF 645KB](289)

摘要:
主动声自导鱼雷目标跟踪具有观测基座运动和观测时变的特点, 采用Kalman滤波方法进行目标跟踪时, 需要利用鱼雷航行姿态参数和鱼雷检测目标信息, 通过坐标变换将鱼雷检测目标的坐标从鱼雷坐标系变换到大地坐标系, 因此自导系统检测误差和导航定位系统航姿误差均对跟踪性能有一定影响。文中分析了主动声自导鱼雷目标跟踪误差来源及传递途径, 分别对偏航角误差、雷速误差及检测误差进行了跟踪性能仿真分析。仿真结果表明, 偏航角误差对目标速度估计及航向角估计影响不大雷速误差线性传递至目标, 速度估计误差与雷速误差相等, 雷速误差对航向无影响检测误差经过滤波可以基本消除, 运动参数经过多拍滤波后能有效逼近真值。

水下航行器阻力参数化分析与优化

刘峰, 梁旭, 苗怡然, 屠超华, 赵彦凯

2020, 28(5): 526-531. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.008

[摘要](295) [PDF 977KB](199)

摘要:
为提高水下航行器阻力性能及分析效率, 文中以一型水下航行器为研究对象, 设计了阻力参数化分析流程。采用Java语言对STAR-CCM+软件进行了二次开发, 利用iSIGHT软件实现了设计过程的控制参数和计算结果等的读取和处理, 实现了水下航行器阻力参数化建模与分析采用最优拉丁超立方方法生成了样本点, 通过参数化分析得到了对应的直航阻力值, 以及设计变量对于直航阻力的灵敏度、主效应等的影响, 利用响应面模型进行了样本点的拟合, 得到了具有较高拟合精度且满足工程需要的直航阻力近似模型建立了水下航行器直航阻力优化模型, 并采用非线性二次规划法进行了优化求解, 相比初始方案, 优化方案直航阻力降低了10.78%, 大幅提高了设计效率。

基于FLUENT的水下热滑翔机相变过程仿真分析

刘鸿瑨, 胡欲立, 杨威, 郝泽花

2020, 28(5): 532-537. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.009

[摘要](198) [PDF 1219KB](284)

摘要:
固液相变过程是水下热滑翔机汲取利用海洋温差能的关键过程。固液相变过程受多种因素影响, 文中主要考虑在自然对流存在的基础上, 引入了压力对热滑翔机固液相变过程的影响。建立了水下热滑翔机换热热管中的相变换热仿真模型, 并使用ANSYS FLUENT 18.0软件对不同压力下热管换热过程进行仿真计算。研究发现, 压力会改变材料的融化温度, 进而影响材料的相变过程。随着压力的升高, 材料融化温度上升, 在相同温度下完全融化所需时间会变长, 但是凝固所需时间反而变短, 如果融点高于海水暖水层温度, 材料将无法完成相变过程, 热滑翔机将不能稳定工作。仿真结果对于水下热滑翔机相变过程研究具有积极意义。

泵喷推进器水动力尺度效应数值仿真与分析

孙明宇, 董小倩, 杨晨俊

2020, 28(5): 538-546. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.010

[摘要](267) [PDF 3956KB](163)

摘要:
尺度效应问题是准确预报泵喷推进器水动力性能的关键, 文中通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS), 对模型尺度和实尺度的泵喷推进器敞水性能进行数值仿真, 分析尺度效应引起的水动力差异。分析结果表明, 推进器各部件水动力均存在尺度效应, 其中导管的尺度效应最为显著, 而转子的尺度效应对推进器总体水动力的影响最大。

UUV用低速大扭矩推进电机控制方式对比分析

刘亚兵, 王海清, 胡钦龙, 吴凇, 胡利民, 张国楠

2020, 28(5): 547-554. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.011

[摘要](316) [PDF 1271KB](261)

摘要:
针对无人水下航行器用低速大扭矩推进电机, 介绍了逆变器采用方波驱动和正弦波驱动的关键技术实现途径, 阐述了方波驱动模式下基于旋转变压器的提前换相控制策略, 提出一种正弦波驱动模式下基于电压反馈的变i_d控制方法。对同一电机进行了多项试验, 对比结果表明, 正弦波驱动模式在电流脉动、效率及电机温升等方面更具优势;方波驱动模式下提前换相可降低电机相电流, 变i_d控制策略在电池组电压下降后仍可维持电机稳定运行。

基于COMSOL的主动式声诱饵仿真系统

唐丽媛, 汪海涛, 王斌

2020, 28(5): 555-562. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.012

[摘要](633) [PDF 1660KB](294)

摘要:
边收边发模式是现代化主动式声诱饵智能化的重要标志之一, 针对该模式下发射/接收声场传递函数畸变以及发射串漏的问题, 文中建立了一套基于COMSOL平台的主动式声诱饵阵元域信号仿真系统, 阐述了系统的架构、模块化的设计思想, 设计了六大功能模块: 模型构建模块、声学有限元模块、海洋环境模块、接收机模块、发射机模块和信号处理模块; 介绍了基于有限元方法与和板块元方法的目标/被模拟目标的散射声场传递函数仿真算法; 提供了频谱分析、时频分析、包络提取等信号处理功能通过建立器材声振耦合状态下发射端-接收端声场串漏反馈数学模型, 模拟边收边发工作模式下声诱饵接收机输入电压与发射机输出电压之间传递函数。系统通过COMSOL Server部署在集群计算机上, 相比现有边收边发技术的研究, 考虑了器材自身声振耦合作用的影响, 仿真了以阵元时域信号为呈现结果的完整诱饵工作过程, 将具体的代码实现后台化, 交互界面简单易操作, 模块间通过共享文件通信, 具有通用性和可扩展性。经多次运行, 系统性能稳定, 计算速度快。通过对比经典球型电子舱模型仿真结果与理论解, 验证了系统精度。文中所述系统可为边收边发工作模式下主动式声诱饵的设计与部署提供参考。

基于模拟法的反鱼雷鱼雷武器系统作战效能评估

曹萌, 赵琪, 蒋继军

2020, 28(5): 563-570. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.013

[摘要](266) [PDF 406KB](176)

摘要:
文中针对反鱼雷鱼雷武器系统(ATTWS)作战效能评估的需求, 在分析了ATTWS作战过程的基础上, 建立了ATTWS作战效能评估指标体系, 应用改进的主客观权重计算算法确定了指标权重, 构建了作战效能评估仿真系统, 并通过仿真试验设计方法, 进行了作战想定设计。最后通过仿真实例, 研究了适用于ATTWS作战效能评估的评估方法, 并给出了评估结论。文中研究为战场攻防对抗环境综合评估ATTWS作战效能提供了参考, 可支撑不同战场环境下的效能评估。

反舰鱼雷毁伤效能评估指标体系研究

李洪涛, 奚慧巍, 李佳橦

2020, 28(5): 571-576. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.014

[摘要](227) [PDF 387KB](176)

摘要:
反舰鱼雷毁伤效能主要取决于战斗部、目标、鱼雷与目标交会条件三大因素。为了评估毁伤效能, 需建立毁伤效能评估指标体系。文中从反舰鱼雷接触爆炸和近距离非接触爆炸毁伤机理入手, 研究爆炸和水域环境、战斗部和装药, 以及目标舰船等对爆炸威力的影响, 确定爆炸威力指标研究爆炸部位、爆炸距离、爆炸深度和攻击角度等对目标毁伤的影响, 确定雷目交会条件指标研究舰船总体参数、船体材料、防护结构和抗沉性等对舰船生命力的影响, 确定舰船结构易损性指标从而构建基于战斗部爆炸威力-雷目交会条件-舰船结构易损性的毁伤效能评估指标体系。

可靠性强化试验在鱼雷产品上的应用

庞多, 陈欢, 曹萌, 张岳青

2020, 28(5): 571-576. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2020.05.015

[摘要](207) [PDF 393KB](228)

摘要:
可靠性强化试验通过给产品施加步进应力以快速激发出产品故障, 具有试验周期短、暴露故障快的特点, 是提高产品固有可靠性水平的有效手段。针对可靠性强化试验在鱼雷产品上应用较晚、还未形成方法体系的问题, 文中结合鱼雷产品特点, 基于可靠性强化试验技术, 给出可靠性强化试验在鱼雷产品上应用的具体方法, 包括可靠性强化试验的试验流程、参试产品的确定、环境应力分析及典型试验剖面等内容。通过工程应用表明该方法合理可行, 能够为鱼雷可靠性强化试验提供参考。

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2020年第28卷第5期

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