水下无人系统学报

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陶荣华, 王丹, 迟铖

2021, 29(4): 369-373. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.001

[摘要](507) [PDF 514KB](235)

摘要:
航空磁探仪(MAD)作为目前主要的非声探潜装备, 是对水下潜艇进行探测、定位、识别和跟踪的可靠手段之一。当前, 随着磁探头组件、磁补偿水平及磁性目标识别技术的迅猛发展, MAD作用距离得到较大提升, 承担着局域搜潜和应召反潜等任务。文中从反潜作战应用出发, 详细分析了国外先进航空磁探潜装备的战技术性能和应用设计特点, 并对其发展趋势进行了展望, 提出无人机载MAD与有人机配合、MAD编组集群将是航空磁探潜的发展重点。文章内容可为我国相关装备建设提供参考。

波浪滑翔器柔性水翼推进性能数值仿真分析

刘芬, 彭彬, 孙秀军, 桑宏强

2021, 29(4): 374-382. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.002

[摘要](261) [PDF 2253KB](104)

摘要:
水翼是波浪滑翔器波浪动力转换的关键部件, 直接决定了波浪滑翔器的航行性能。文中研究了波浪滑翔器柔性水翼的推进性能, 根据波浪滑翔器工作时水翼的运动特点, 基于COMSOL Multiphysics软件仿真出柔性水翼主动升沉运动下被动变形的过程, 重点研究波浪参数、俯仰运动参数和斯特哈劳尔数对推进性能的影响。仿真结果表明, 在一定范围内, 水翼推进性能随波高、斯特哈劳尔数的增大而增大, 随波周期的增大而减小; 当波周期较大时, 波高和波周期的变化对水翼推进性能的影响较小; 当俯仰周期与波周期相等时, 俯仰运动对水翼推进性能有积极作用。文中结果可为波浪滑翔器被动柔性水翼后续研究提供参考。

基于船舶磁悬浮减振装置的自适应预测控制

王伟然, 闫景昊, 杨冠军, 葛慧林, 朱志宇, 智鹏飞

2021, 29(4): 383-390. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.003

[摘要](213) [PDF 1201KB](66)

摘要:
船舶振动会产生全方位的干扰力, 这种干扰力会使重要设备产生结构疲劳, 从而影响使用寿命。为了减小这种干扰对设备的影响, 文中设计了一种应用于船舶的磁悬浮减振装置, 并针对水流、船体转向等不同干扰造成的托举失衡问题提出了基于自适应模型的预测控制方法, 该方法兼具自适应控制与预测控制的优点, 可以实时更新预测控制中的模型参数, 极大地提升预测控制的精确度。实验验证结果表明, 这种方法响应速度更快, 鲁棒性较强, 具有较强的抗干扰能力, 能够满足特种船舶重要装置的减振要求。

基于VTR-PLFM扩频调制移动水声通信方法

季赵胜, 王海燕, 申晓红, 李芾茏

2021, 29(4): 391-399. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.004

[摘要](185) [PDF 1495KB](205)

摘要:
针对移动水声通信中多径效应、多普勒效应严重的问题, 提出了基于虚拟时间反转-分段式线性调频(VTR-PLFM)扩频调制的移动水声通信方法, 来同时对抗多普勒和多径干扰。首先利用分段式线性调频(PLFM)信号对发送信号进行正交扩频调制, 因PLFM信号可以抗宽带多普勒频移, 系统可以不进行多普勒频移补偿; 同时利用虚拟时间反转(VTR)技术聚集多径信号的能量, 削弱多径的影响, 提升系统性能; 此外, 由于PLFM信号良好的相关性, 进一步结合频分复用技术, 可有效提升频谱的利用率, 提高系统的通信速率。仿真验证了PLFM系统自身的抗多普勒频移特性及VTR技术的引入可有效改善系统性能, 并且在较低信噪比和较高数据率下, PLFM系统有较低的误码率。外场试验验证了所提方法的可行性。

基于水声通信的AUV组网与协同导航

王亭亭, 张南南, 岳才谦, 王奥博, 吕雪

2021, 29(4): 400-406. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.005

[摘要](530) [PDF 1458KB](234)

摘要:
构建稳健的水下通信网络以提供编队支撑信息和导航增强信息, 是实现多自主水下航行器(AUV)组网编队的基础。因此, 研究如何在水下通信手段和成熟通信载荷受限的情况下, 利用有限资源, 构建满足真实水下环境多AUV编队需求的通信网络, 对后续开展多AUV协同作业研究具有重要意义。针对当前水下移动组网编队研究中, 由于组网及协同导航工程应用不足, 制约了编队中其他层进一步发展的问题, 文中对多AUV网络通信协议、机制以及协同导航增强的实现进行了研究, 设计了一种基于水声通信的组网与协同导航方案, 利用德国Evologics公司的3台水声通信机进行网络构建, 并在3台AUV组成的水下编队中进行了试验, 验证了该方案能为AUV编队提供有效的通信和协同保障。

基于四元数反馈的UVMS滑模控制器设计

杜晓玮, 侯冬冬, 王红都, 黎明

2021, 29(4): 407-414. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.006

[摘要](866) [PDF 1011KB](74)

摘要:
随着水下机器人-机械手系统(UVMS)向轻量化、敏捷化方向发展, 对高精度水下姿态控制的需求日益突出。传统方法多使用欧拉角表示姿态, 其在特殊姿态下求运动学逆解会产生奇异, 不能满足特殊姿态作业的要求。因此, 文中采用四元数表示水下机器人本体姿态, 建立基于四元数的运动学模型, 避免了欧拉角的万向锁问题。同时, 进一步构建了UVMS的动力学模型, 构造基于四元数误差的滑模面, 设计了位置、姿态滑模控制器, 并通过广义Lyapunov理论分析了系统的稳定性。为了实现更好的控制效果, 利用时间误差绝对值函数设计适应度函数, 采用遗传算法优化了控制器参数。仿真结果验证了控制器的有效性。

鱼雷航行姿态变化对三波束声引信的干扰分析及其抑制方法

唐波, 谭思炜, 张静远, 吴笛霄

2021, 29(4): 415-419. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.007

[摘要](174) [PDF 431KB](47)

摘要:
针对鱼雷航行姿态变化引起的声引信测距干扰问题, 从三波束声引信和干扰产生的基本原理出发,采用欧拉旋转定理对波束向量进行空间变换, 分析了存在航行姿态变化时的声引信各波束测距误差; 在获取航行姿态数据的基础上, 将航行姿态数据引入到干扰存在条件下的引信测距算法, 推导了消除鱼雷航行姿态变化引起的声引信测距干扰方法。仿真试验表明, 该方法可有效抑制鱼雷航行姿态变化引起的声引信测距干扰。

基于自适应反步滑模的AUV推进器容错控制

张瀚文, 王俊雄

2021, 29(4): 420-427. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.008

[摘要](1690) [PDF 939KB](73)

摘要:
为了实现自主水下航行器(AUV)在推进器故障的情况下对运动控制的鲁棒性要求, 针对AUV的六自由度非线性矢量运动模型, 设计了自适应反步滑模运动跟踪控制器, 并在推力分配中考虑推进器故障特点, 建立连续时变的故障模型。结合故障信息, 基于伪逆法技术, 在调节控制器配置结构功能的基础上增加了对故障的调节功能, 可以通过更改控制输入对故障进行修正, 对不同的故障类型分别采取故障调节和控制重构的方法实现推进器故障状态下的容错控制, 有效提高了容错控制算法的应用普适性。在仿真中, 通过模拟多种不同的故障模式, 验证了自适应容错控制器在推进器故障情况下对AUV运动控制的有效性。

基于单信标的无人水下器导航算法及改进

陈祥国, 尚凡, 蓝强

2021, 29(4): 428-434. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.009

[摘要](187) [PDF 477KB](80)

摘要:
基于单信标的无人水下航行器(UUV)导航算法具有所需潜标数量少、系统海上布放标校简单、维护成本较低等优点, 结合UUV惯性导航系统后能够满足未来广域、低成本水下导航需求。针对单信标导航算法收敛速度较慢、非全局可观测等问题, 提出增加目标径向速度观测量的单信标水下导航算法; 分析了引入目标径向速度观测后的系统全局观测性, 给出新的导航初值估计及跟踪方法; 使用扩展卡尔曼滤波算法, 建立4状态变量-3观测量(4SV-3OB)单信标导航模型, 并通过数值仿真试验, 得出4SV-3OB模型相较于传统单信标导航模型收敛时间减小约75%。仿真结果表明, 增加目标径向速度作为系统观测量可有效简化单信标导航算法初值估计及跟踪流程, 并能够显著减小导航算法收敛时间。

面向UUV回收过程的单目视觉导引灯阵跟踪方法

张伟, 潘珺, 宫鹏, 李子轩, 郭帅克, 高赛博

2021, 29(4): 435-441. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.010

[摘要](783) [PDF 2776KB](79)

摘要:
无人水下航行器(UUV)在进行水下作业过程中, 受到自身可携带载荷和环境的制约, 导致其作业时间不能过长和作业距离不能过远, 需要在一定时间内回收以供给能量、获得数据并布置新任务。深入研究UUV视觉跟踪问题, 对实现UUV快速、准确、安全的回收有着重要意义。基于此, 文中对UUV回收的单目视觉多目标跟踪问题进行了研究。以非线性卡尔曼滤波器为基础, 提出基于非对称光阵列的UUV回收跟踪方法。首先, 对单目摄像机采集的水下图像进行预处理, 提取光源阵列的特征信息。其次, 初始化目标轨迹, 提出了基于非对称L型光源阵列的轨迹确定方法。再次, 权衡观测器与滤波器设计了寻优代价矩阵, 应用改进的匈牙利算法将检测与目标轨迹相匹配, 并根据匹配结果对卡尔曼滤波器的先验结果进行修正。最后, 通过水下目标跟踪实验, 验证了所提方法的工程有效性。

基于参数辨识的水下推进永磁同步电机无位置传感器控制

陈尧伟, 曾庆军, 戴晓强, 吴伟, 李宏宇, 姚震球

2021, 29(4): 442-450. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.011

[摘要](180) [PDF 804KB](57)

摘要:
针对水下推进器在运行过程中, 永磁同步电机的定子电阻、电感等参数会受到温度、电流变化而导致的无位置控制算法估算转子位置和速度出现较大误差的问题, 提出了一种基于参数辨识的龙伯格观测器水下推进器无位置传感器控制方法。该方法在双闭环矢量控制的基础上, 采用带遗忘因子的递推最小二乘法作为参数辨识算法, 通过在线辨识得到电机定子电阻和电感参数, 将其取代龙伯格观测器模型中的初始电阻和电感参数, 龙伯格观测器估算得到的反电动势作为锁相环的输入, 最终, 由锁相环输出得到转子的位置和速度。仿真结果表明, 基于参数辨识的龙伯格观测器在受到参数变化干扰后, 能快速准确地辨识出转子位置和速度信息, 降低了无位置控制系统对电机参数的敏感性。

海洋温差能供电水下滑翔机的液电转换过程建模与效率分析

王国晖, 杨亚楠, 王延辉, 王树新

2021, 29(4): 451-458. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.012

[摘要](211) [PDF 3104KB](83)

摘要:
海洋温差能供电是提高水下滑翔机的续航里程和在位工作时长的有效技术手段。其能量传递路径的优化与能量转化效率提升对于保证水下滑翔机正常工作至关重要。基于水下滑翔机海洋温差能供电系统中机械能-电能转换过程的能量转换机理与损耗机理, 建立了液压马达以及发电机等关键器件的参数化能量平衡方程、机械能-电能转换模型以及转换效率计算公式, 开展了能量转换过程的效率分析。通过平台试验与模型求解结果对比可知, 压力能-动能、动能-电能的能量转化效率的相对误差较小, 分别仅为6.37%、5.12%。验证了模型的准确性。在此基础上, 通过对模型的效率分析, 对海洋温差能供电系统进行了优化设计与试制。在后续的海试试验中, 试验样机可以收集6701 J的电能, 压力能-电能转化过程的能量转化效率可达38.86%, 验证了系统的有效性。

比例控制器用2阶椭圆齿轮设计与仿真

李永东, 白坤雪, 马小录, 伊寅, 牛宏磊

2021, 29(4): 459-463. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.013

[摘要](139) [PDF 748KB](48)

摘要:
三组元比例控制器是水下热动力能源供应系统的关键组件, 如何保证推进剂组元的精确比例配比,是比例控制器研制需要解决的主要问题。文中提出了一种采用2阶椭圆齿轮结构的比例控制器, 其弥补了叶片式比例控制器的不足。依据2阶椭圆齿轮的啮合原理以及齿形折算原理, 得到了齿轮在节曲线上的分布特点。利用CAXA/UG计算机辅助设计技术, 设计了2阶椭圆齿轮的齿形并进行了比例控制器用椭圆齿轮的建模及齿轮运动副的运动仿真。仿真结果可为新型2阶椭圆齿轮结构的三组元比例控制器设计及加工提供参考。

破片撞击作用下的战斗部起爆规律研究

哈海荣, 王团盟, 鲁忠宝, 黎勤

2021, 29(4): 464-470. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.014

[摘要](154) [PDF 1640KB](59)

摘要:
针对RS211装药、全尺寸战斗部的破片撞击安全性问题, 文中首先利用非线性有限元软件LS- DYNA建立了破片撞击RS211装药战斗部的全尺寸仿真模型, 进行了仿真计算。同时通过试验验证, 得到壳体膨胀末端速度平均误差为3.7%, 说明仿真与试验结果吻合度较好, 证明了仿真模型的合理性。最后开展了破片在不同速度、质量和形状下撞击战斗部的起爆规律研究, 得到了起爆阈值。研究发现: 带锥顶圆柱破片撞击起爆战斗部装药的速度阈值为1 360 m/s; 当速度为1 830 m/s时, 带锥顶圆柱破片撞击起爆战斗部装药的质量阈值是11 g; 4种不同形状的破片以1 830 m/s的速度撞击战斗部时, 均能使炸药起爆, 但球形破片撞击炸药的峰值压力明显小于其他3个, 这可能与其光滑无锐角的外形有关。文中工作可为全尺寸战斗部破片撞击安全性研究提供参考。

柱形装药水下爆炸近场冲击波数值仿真

黄洪, 卢熹, 王健

2021, 29(4): 471-476. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.015

[摘要](194) [PDF 580KB](61)

摘要:
柱形装药作为水下爆炸的常用装药结构, 目前其研究多集中于水下爆炸远场, 近场冲击波研究较少。为了得到柱形装药水下爆炸前向近场冲击波威力相关参数, 文中建立了以柱形装药前端圆柱面垂直方向距离为x, 水平方向距离为y的近场冲击波威力场。首先利用AUTODYN仿真软件对等装药量TNT球型装药和长径比范围为1.1~2的柱形装药水下爆炸过程进行了仿真, 分析了柱形装药水下爆炸近场冲击波衰减规律。通过结合Cole经验公式, 优化柱形装药仿真值, 采用Logistic函数拟合得到柱形装药前向近场冲击波压力峰值经验公式, 计算得到压力峰值平均误差约为5%, 验证了该经验公式的准确性。研究结果可为柱形装药水下爆炸近场威力参数计算提供参考。

航行器水下分离特性研究

肖前进, 夏兴隆, 钱家昌, 刘华坪, 周奇

2021, 29(4): 477-482. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.016

[摘要](134) [PDF 3028KB](61)

摘要:
航行器水下分离特性是航行器水下发射成功与否的关键。文中针对悬浮状态下浮筒平台与航行器的水下发射分离问题, 基于流体体积函数(VOF)多相流模型和动网格技术, 仿真研究了弹射气体压力和温度对发射过程航行器及浮筒平台水动力特性和运动特性的影响规律。结果表明: 弹射气体压力对尾出筒时航行器和浮筒平台的相对位移量影响较小, 位移比例基本与其质量反比例相同; 尾出筒后水动力波动与冲击峰值随着弹射气体压力增加而增大; 弹射气体温度对出筒过程运动特性影响较小, 而出筒后水动力波动随气体温度的升高而增大。

一种基于系绳水下风筝系统的发电方法

程文鑫, 温志文, 杨智栋, 蔡卫军

2021, 29(4): 483-487. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.017

[摘要](170) [PDF 1712KB](71)

摘要:
随着海洋技术的不断发展, 针对水下尤其是深海海域中的能源需求越来越突出, 而已有的水下发电方法存在输出功率不高, 发电效率低等不足。针对此问题, 文中提出了一种适用于低速流海域的基于系绳水下风筝系统的发电方法, 该方法通过提升系绳水下风筝与水流的相对运动速度, 可显著增加发电输出功率。采用欧拉-拉格朗日方法对其进行数学建模仿真, 仿真结果表明, 该方法可有效解决传统固定式水轮机发电方法在深海海域发电输出功率低的难题。

舰艇武器发射系统跨平台通用软件框架设计与应用

安娜, 姜杨

2021, 29(4): 488-495. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.018

[摘要](145) [PDF 417KB](66)

摘要:
目前舰艇武器发射系统主控软件基本以特定软硬件平台为运行环境, 平台移植性较差, 不利于系统的二次开发和维护升级。文中以C++天然的跨平台特性为基础, 利用Qt、POSIX和中间件等软件跨平台技术, 提出了一种适用于舰艇武器发射系统主控软件开发的跨平台通用软件框架。该框架通过中间件技术消除产品接口差异, 并采用虚拟化技术实现主控软件外围设备的数字化仿真。实际应用证明, 该框架可大幅提升主控软件的平台迁移能力, 降低了平台移植成本, 同时缩短了整个发射系统的研发周期。

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2021年第29卷第4期

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