水下无人系统学报

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张鑫明, 韩明磊, 余益锐, 黄田力, 陈谦, 吴铭

2021, 29(5): 497-508. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.001

[摘要](2603) [PDF 1842KB](271)

摘要:
潜艇和无人水下航行器(UUV)协同作战是现代海军作战能力的重要组成部分, 也是海军装备中新式作战理念、新技术应用最为广泛的领域。文章介绍了国内外潜艇与UUV协同作战研究的发展现状, 主要分析了美国、俄罗斯和英国等国家在水下作战体系、协同作战系统和新质水下作战力量等方面的发展思路; 重点研究了水下协同作战的关键技术, 涉及水下多介质传输、网络化协同探测、多源异构信息融合等装备体系技术, 以及控制体系结构、协同任务规划与分配、贫弱信息下的自主决策等作战应用技术, 以期为装备技术和作战应用协调发展、水下新质作战力量的快速形成提供技术参考。

蛙人探测声呐系统发展综述

孙玉臣, 王德石, 李宗吉, 姜斌, 张恺, 孙玉祥, 于文强

2021, 29(5): 509-523. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.002

[摘要](657) [PDF 6592KB](143)

摘要:
蛙人在水下声信号强度低, 难以被探测, 可秘密潜入港口、岛礁等重点水域进行侦察破坏等行动,是水下预警的重要方式之一。文中首先论述了水下探测蛙人的难点, 分别介绍了主被动声呐探测蛙人的原理和依据的声信号特征。然后, 综述了国内外蛙人探测声呐(DDS)装备的技术现状, 总结了目前DDS系统的技术特点, 包括信号处理技术、远距离传输及供电、安装布放、环境自适应能力、系统可靠性、多声呐联合以及多系统协同等方面, 提出了新材料技术、匹配层技术、检测概率提高技术、目标自动跟踪及识别技术、垂直相控发射技术以及组阵技术等DDS装备发展的关键技术, 为行业内DDS装备的研究提供参考。

双发回转体水下齐射流体动力特性数值仿真

施瑶, 高山, 潘光

2021, 29(5): 524-532. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.003

[摘要](153) [PDF 3347KB](37)

摘要:
为研究双发回转体水下齐射过程流体动力演化特性, 基于均质多相流理论、标准RNG k-ε模型、Singhal空化模型以及重叠网格技术, 建立三维双发回转体水下齐射模型, 开展不同发射速度下双发回转体非定常空泡与运动姿态演变过程数值仿真, 分析了典型工况下双发回转体齐射过程流场结构演变、运动特性以及齐射速度对其运动特性的影响。结果表明: 航行前期空泡发展至最大, 随着航行器向自由液面运动,空泡从其末端由下至上逐渐脱落, 并发生了溃灭现象; 由于齐射过程中流动干扰区域的存在, 双发回转体肩部空泡形态演变过程由不对称演变为对称状, 从而导致回转体质心先向内侧偏移, 随后不断向外侧偏移;随着齐射速度的增大, 回转体出筒时刻空泡长度不断增大, 其质心由内侧向外侧偏移的交点向后推迟, 同时偏转角度不断减小。此研究对水下齐射工程技术具有一定的借鉴意义。

一种适用于水下距离徙动目标的稳健自适应检测算法

宋琼, 闫晟, 郝程鹏, 侯朝焕

2021, 29(5): 533-540. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.004

[摘要](147) [PDF 567KB](31)

摘要:
在水下目标自适应检测中, 目标的高速运动会引起距离徙动(RCM)现象, 从而导致检测性能下降。同时, 由于水下环境的复杂性, 还面临着辅助数据严重不足的问题。为解决以上问题, 文中提出一种新的自适应检测算法, 首先基于模型阶数选择方法, 将声呐回波信号表示为多个时域序列形式, 随后利用对称线阵协方差矩阵的斜对称结构对RCM目标的多元假设检验模型进行改进, 进一步提出基于斜对称广义信息准则自适应匹配滤波(PG-AMF) 检测算法。仿真结果显示, PG-AMF算法降低了对辅助数据的依赖, 能够较为准确地估计出RCM目标回波的分布情况, 进而取得良好的目标检测性能。

一种基于PILCO算法的智能浮体运动控制方法

张尚, 杨睿, 陈震, 黎明

2021, 29(5): 541-549. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.005

[摘要](179) [PDF 1177KB](36)

摘要:
随着人们对海洋探索的不断深入, 开发一种自主性强、灵活度高、可重构的智能浮体(ASV)至关重要。文中以四推进器ASV为研究对象, 建立了其动力学模型, 基于概率推理的学习控制算法设计了控制器, 并进行了定点控制和轨迹跟踪的仿真实验。仿真结果表明: ASV仅需进行少量的实验即可获得自主学习控制策略, 在有水流扰动或采用近似动力学模型时, 能够实现对其的运动控制, 从而验证了文中算法的有效性。

鱼雷湿模态仿真与试验分析

赵琪, 郭君, 曹栋, 王红瑞, 单志雄

2021, 29(5): 550-555. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.006

[摘要](150) [PDF 2734KB](37)

摘要:
以典型鱼雷结构为基础, 首先通过干模态试验与仿真分析, 修正全雷有限元模型, 然后利用LMS Virtual.Lab边界元流固耦合分析方法, 进行全雷湿模态仿真。分析结果表明, 与在空气中相比, 鱼雷结构在水中各阶固有频率均有所降低, 前3阶频率降低量在35%左右。通过全雷干、湿模态仿真分析, 获得解决复杂流固耦合问题的新途径, 为后续进行鱼雷结构优化、减振降噪设计等提供参考。

基于非线性干扰观测器的AUV量化反馈滑模控制

武建国, 陈凯, 陈武进, 赵晓宇, 张桐瑞, 程涛

2021, 29(5): 556-564. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.007

[摘要](2051) [PDF 809KB](54)

摘要:
自主水下航行器(AUV)在实际工程应用中, 由于数字回路的存在, 需要将状态变量等量化并传输到控制器中, 使系统稳定性受到了极大的影响。针对AUV轨迹跟踪控制问题, 考虑状态和控制输入量化的影响, 提出一种基于非线性干扰观测器(NDO)的量化反馈滑模控制(SMC)方法。首先, 采用NDO对外界未知干扰进行估计补偿, 以抑制传统SMC中的抖振现象。然后, 提出了一种SMC方案, 将状态变量和输入的量化误差上界加入到SMC的开关项中, 以克服量化对系统稳定性的影响, 第一步证明无论在任何初始值开始, 轨迹都将被驱使到一个较小的带状区域, 第二步通过动态调整量化参数, 使得滑模面s收敛于0。最后, 通过Lyapunov函数证明了系统的稳定性。仿真结果表明, 所设计的量化滑模跟踪控制器能够使AUV较好地跟踪期望轨迹。

融合Q学习与PID控制器的AUV跟踪控制

闫敬, 李文飚, 杨晛, 李兴龙, 罗小元

2021, 29(5): 565-574. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.008

[摘要](1534) [PDF 2524KB](84)

摘要:
为进一步提升自主水下航行器(AUV)跟踪控制性能, 文中设计了一种融合Q学习与比例-积分-微分(PID)控制器的AUV跟踪控制算法。首先, 根据AUV的跟踪误差构建基于PID控制器的跟踪控制算法。为提升跟踪的静态与动态性能, 将PID控制器参数的自适应调整描述为一种Q学习问题。然后采用动作更新的形式对不同状态下的Q值进行迭代优化, 直到每个状态-动作所对应Q值保持不变。相比于传统的PID控制器, 该算法不仅可以保持PID简单实用的特点, 还可根据环境信息的变化进行参数自适应调整。仿真与试验结果均验证了所提算法的有效性。

基于的大跨速鱼雷横滚控制建模与仿真

郑薇, 吕瑞, 田莘

2021, 29(5): 575-579. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.009

[摘要](166) [PDF 419KB](31)

摘要:
为了解决大跨速鱼雷速度的大范围变化对精确控制的影响, 设计了线性自抗扰控制器。首先, 为了便于设计, 对鱼雷横滚控制数学模型进行了重新推导; 然后将自抗扰控制应用到鱼雷横滚控制中, 实现了对总扰动的估计和实时补偿。仿真结果表明, 该控制器可适应鱼雷28~70 kn速度的大范围变化, 不仅能很好地估计并补偿总扰动, 而且对鱼雷参数的不确定性具有较强的鲁棒性, 可满足大跨速鱼雷横滚通道控制要求, 性能指标明显优于比例-积分-微分控制。

基于瑞利-均匀分布的AUV应召搜索目标散布区域估计方法

崔东华, 纪秀美, 代志恒, 王团盟

2021, 29(5): 580-585. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.010

[摘要](90) [PDF 700KB](39)

摘要:
在自主水下航行器(AUV)执行应召搜索任务过程中, 目标的散布区域是引导平台对AUV航路规划的重要依据。通过信息搜集的目标初始位置误差散布及其运动参数误差散布导致目标运动过程中任意时刻的位置分布函数表现出非正态分布和非均匀分布的特点, 然而, 现有方法对这一问题的描述往往过于简单甚至不尽合理, 由此在研究类似搜索路径规划和搜索概率计算等问题时造成与实际不相符的现象。为解决AUV应召搜索时目标散布区域的估计问题, 在建立目标初始位置散布区域估计模型的基础上,根据目标速度和航向等运动参数误差散布规律, 建立了目标运动过程中位置散布区域的瑞利-均匀联合估计模型。仿真试验结果表明, 该方法与传统二维正态分布方法相比更为合理实用, 对目标散布位置的估计更为准确, 便于数值分析与工程应用。

基于有限样本的永磁同步电机退磁故障诊断方法

莫钰, 李垣江, 魏海峰, 张懿

2021, 29(5): 586-595. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.011

[摘要](154) [PDF 775KB](27)

摘要:
针对永磁同步电机(PMSM)因样本数据稀少、可用性低、特征弱化和结构复杂等因素引发的退磁识别问题, 提出一种融合稀疏自编码与最小二乘生成式对抗网络的退磁故障诊断方法。该方法首先采集PMSM的电磁转矩和磁动势分布数据构成有限样本集合, 其次采用最小二乘生成式对抗网络对样本在保持特征分布一致的条件下进行标签化扩张, 最后运用稀疏自编码网络和Soft max分类器对样本进行训练和分类, 实现退磁故障的诊断与识别。在模型训练和故障识别过程中, 一方面合理设计深度网络隐层节点、训练算法以及层数等影响学习效率的参数; 另一方面训练优化网络并测试验证网络的优劣以提高故障诊断性能。经过多次试验, 最终可实现PMSM退磁故障的有效诊断。

一种异步电机全阶磁链观测器设计方法

贾国涛, 张炜权, 刘国庆

2021, 29(5): 596-600. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.012

[摘要](102) [PDF 596KB](31)

摘要:
随着新型水下电动混流泵发射动力技术的不断发展, 对高速电机驱动提出了新的要求。但传统全阶磁链观测器设计会引发系统极点产生正实部, 造成无速度传感器控制系统不能在低转速区域保持稳定, 促使装置启动失败。针对此, 文中提出一种新的异步电机全阶磁链观测器设计方法, 设计了一种基于全阶磁链观测器的误差反馈矩阵, 可同时保证观测器极点实部和估计转速传递函数的零点实部都小于零, 从而保证了观测器以及估计转速的稳定。实验验证了该方法的有效性。

转子各参数对鱼雷涡轮机启动过程响应特性的影响

张盼盼, 宋文, 史小锋, 伊寅

2021, 29(5): 601-608. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.013

[摘要](146) [PDF 785KB](26)

摘要:
Newmark-β法对其进行求解, 完成启动过程响应分析, 重点讨论了角加速度、阻尼系数等参数对转子启动过程响应的影响规律, 得出角加速度增大, 共振幅值减小, 共振转速略有增大; 阻尼系数增大, 共振幅值减小, 共振转速略有减小。分析结果对转子瞬态动平衡的研究和弹性环的合理设计有一定的参考价值。

鱼雷爆炸作用下潜艇鞭状运动响应仿真分析

郭志荣, 陆文俊, 金晓宇

2021, 29(5): 609-615. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.014

[摘要](94) [PDF 657KB](36)

摘要:
为了提高鱼雷水下近场爆炸对潜艇的毁伤效果, 分析爆炸载荷作用下潜艇结构鞭状运动响应规律,文中从能量叠加关系出发, 将爆炸载荷按时间顺序分解为冲击波载荷、气泡脉动载荷和气泡低压载荷3个阶段。建立单质点弹簧系统, 分析三阶段载荷与潜艇结构振动之间的能量叠加关系, 并基于对载荷的分析, 对不同能量结构的潜艇结构鞭状运动响应进行仿真。仿真结果与试验数据吻合较好, 说明单质点弹簧系统能够定性描述鱼雷在潜艇中部近水场爆炸时, 潜艇结构鞭状运动的能量叠加关系。文中工作可为分析鱼雷近场水下爆炸载荷作用下的潜艇结构鞭状运动毁伤效果提供理论依据。

全浸式火炮内弹道参数优化设计

郭映华, 李瑞静, 刘伟, 董彦诚

2021, 29(5): 616-620. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.015

[摘要](69) [PDF 525KB](28)

摘要:
随着水下安全威胁的日益提升, 水下火炮内弹道优化设计已成为水下攻防领域的研究热点之一。火炮尤其是采用变燃速发射药的小口径火炮的水下发射过程与大气中火炮发射过程相比更加复杂。文中针对全浸式火炮发射过程, 在经典内弹道模型的基础上, 考虑钝感发射药、弹丸对身管内弹丸水柱的做功、炮口喷出水阻以及水深的影响等诸多因素建立内弹道方程组, 并选择多岛遗传算法对火炮内弹道参数进行优化设计, 得出了满足炮口初速和最大膛压要求的装填参量和发射药参数, 包括药室容积、弹丸行程长、发射药弧厚、钝感深度、表面燃速修正量和装药量等。对优化结果的工程化分析可知, 文中的设计方法可以快速得到较为合理的参数指标, 从而大幅度减小内弹道设计的工作量。

“三化”设计及其在轻型鱼雷操雷段上的应用

肖莹, 郝晓哲, 查力, 赵晓伟, 张存新

2021, 29(5): 621-627. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.016

[摘要](84) [PDF 416KB](33)

摘要:
通用化、系列化、组合化(简称“三化”)设计作为标准化设计的方法之一, 已广泛应用于工业设计,特别是新产品研制过程中。鱼雷操雷段可与战雷段完全互换, 拥有独立的功能和结构, 具备“三化”设计的先天条件, 一直以来都是鱼雷行业“三化”设计的试点部位。文中分别介绍了通用化、系列化和组合化的概念和设计方法, 以轻型鱼雷操雷段为例, 阐述了本征式通用化、冗余式通用化、变量式通用化和数值系列化等设计方法在操雷段“三化”设计中的应用, 为鱼雷操雷段设计提供借鉴。

鱼雷抽样验收有关问题探讨

李卫民

2021, 29(5): 628-632. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2021.05.017

[摘要](174) [PDF 357KB](29)

摘要:
受制于装备订货规模和鱼雷行业质量建设水平的影响, 批产阶段抽样验收的研究尚处于探索阶段, 对可接收质量水平(AQL)值的选取、抽样验收的条件等关键问题在行业内尚无统一的思路和科学的方法, 制约了抽样验收工作的深入开展。经对抽样方法研究, 文中建立了基于可靠性要求和先验试验数据的AQL值确定方法, 基于X2、U检验和可靠性要求的全数验收转抽样验收的条件, 完善了行业规范的相关内容, 研究和改进了抽样验收质量管理办法, 提出了相关建议, 为开展鱼雷抽样验收提供了借鉴。

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2021年第29卷第5期

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