水下无人系统学报

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刘景云, 刘轶, 孙涛, 高慧中, 刘洋

2022, 30(4): 413-421. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112020

[摘要](160) [HTML全文] (39) [PDF 1294KB](64)

摘要:
我国水中兵器动力系统技术经过几十年的发展, 到现在已逐步具备自主化设计能力。然而当前形势下要求产品型号种类多、研发周期短, 原有的“基于文档的系统工程”的设计研发模式将无法满足快速设计需求。在对“基于模型的系统工程”数字化发展背景需求和现状分析的基础上, 针对水中兵器动力系统提出了关键能力技术突破与固化、基于模型驱动的协同设计、构建数字孪生样机三步走的数字化发展思路, 分析了水中兵器动力系统数字化协同设计平台架构及关键技术, 为水中兵器动力系统数字化发展提供参考。

均匀混响背景下抗多目标干扰自适应检测器设计

朱东升, 宿晓静, 刘晋伟, 郝程鹏

2022, 30(4): 422-428. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202106002

[摘要](223) [HTML全文] (32) [PDF 1283KB](38)

摘要:
为提高恒虚警方法的抗多目标干扰能力, 文中提出了一种能够对抗多目标干扰的新型自适应检测器。该检测器将参考单元作为背景环境的特征值, 利用TreeBagger算法构建估计器。在训练阶段, 利用参考单元和TreeBagger算法构建干扰目标个数估计器; 在检测阶段, 参考单元作为估计器的输入, 当前背景的干扰目标个数作为估计器的输出。进一步将估计结果作为该检测器的门限序值, 剔除干扰目标, 完成检测。利用蒙特卡洛仿真方法分析检测器在均匀混响背景和多目标干扰背景下的性能, 结果显示, 相较于现有方法, 所提方法的检测器具有更好的抗多目标干扰性能。

基于无模型自适应控制的底栖式AUV路径点跟踪控制

高鹏, 万磊, 徐钰斐, 陈国防, 张子洋

2022, 30(4): 429-440. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109021

[摘要](2501) [HTML全文] (79) [PDF 2852KB](64)

摘要:
为了解决海洋环境不确定因素高、底栖式自主水下航行器(AUV)模型参数难以精确确定等问题, 将无模型自适应控制(MFAC)方法应用于路径点跟踪控制系统中。针对传统MFAC方法在航向控制中可能存在的积分累加效应引起的收敛速度慢、跟踪精度低等问题, 设计了一种改进的MFAC航向控制器, 证明了航向控制误差的有界性。接着, 针对封闭型视线法制导算法应用于路径点跟踪控制时AUV在路径点切换处航向控制超调较大的问题, 提出了一种双曲正切型航速调整策略, 该策略可以明显促进AUV在路径点切换处的平滑过渡并改善跟踪误差的收敛速度。最后, 进行了底栖式AUV航向控制以及路径点跟踪控制外场试验, 验证了所设计算法的有效性和优越性。

基于PSO的非静止流场中机器鱼转向控制参数优化

文家燕, 温林荣, 谢广明, 罗文广

2022, 30(4): 441-449. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109016

[摘要](2094) [HTML全文] (23) [PDF 1870KB](18)

摘要:
机器鱼在航行中容易受到非静止流场的干扰而偏离目标航向。文中采用航向角反馈来解决未搭载流场感知相关传感器的机器鱼航向偏离问题。首先, 建立机器鱼的关节动力学模型与水动力学模型, 得到关节角运动与关节力矩之间的关系, 并且获得机器鱼推进力和转向力矩与机器鱼摆动姿态之间的关系。而后, 将中枢模式发生器控制器运用于机器鱼的控制, 与受控对象构成闭环控制系统, 使机器鱼在控制器的调节作用下保持航向稳定。最后, 为获取最佳控制器参数, 采用粒子群优化算法, 以机器鱼从一个设定的航向角偏离量收敛到零的时间长度作为优化指标, 最终实现快速转向。根据建立的机器鱼动力学模型进行了仿真分析, 验证了文中设计方法的有效性和合理性。

水下航行器-发射筒间隙流动仿真

刘元清, 张晨星, 陈香言, 王凡瑜

2022, 30(4): 450-456. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109013

[摘要](169) [HTML全文] (31) [PDF 1930KB](31)

摘要:
针对水下航行器发射尾部经过气密环时发射筒底与气密腔连通过程, 采用动边界非定常数值仿真, 研究了不同初始压比与航行器运动速度下航行器-发射筒间隙内的流场演化与压力脉动特性。结果表明, 尾部连通初期筒底高温高压气体进入间隙腔的瞬时速度可达音速以上, 气流在冲击远离筒底的气密环后反射并产生剧烈的流动振荡和压力脉动。随着航行器运动, 连通区增加压力脉动幅值下降; 当初始压比增加时, 压力脉动峰值和谷值线性变化, 在初始压比 p_t/p₀=3.0时相对峰值和谷值分别可达1.4倍和0.5倍间隙初始压力; 航行器运动速度增加时泄漏速度增大, 压力脉动峰值增大且出现时间提前; 以上参数下压力脉动周期不变。

基于分布式PI的2阶时延多智能体系统一致性控制

王琦, 郭飞, 张安通, 郭煜, 强以铭

2022, 30(4): 457-464. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109002

[摘要](247) [HTML全文] (69) [PDF 877KB](22)

摘要:
近年来, 多智能体系统由于其在多个领域的广泛应用得到快速发展, 其中, 一致性问题一直是其研究热点之一。通信时延和外部扰动的存在会给多智能体系统的一致性带来影响, 鉴于此, 文中主要研究了2阶含扰动多智能体系统的一致性问题, 同时考虑了常数通信时延和时变通信延迟的影响, 提出了一种基于分布式比例积分(PI)的控制协议。该协议假设该多智能体系统的通信拓扑结构是有向图且含有一个有向生成树。首先, 通过状态转换将原系统的一致性问题转换成降阶系统的稳定性问题; 然后, 根据李雅普诺夫稳定性理论、图论和矩阵论的知识得到系统实现渐近稳定的充分条件; 最后, 通过具体的数值仿真实例验证了所提出的PI控制协议能够有效实现2阶含扰动多智能体系统的一致性。

基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法

刘罡, 李永胜, 刘礼文, 王晨宇

2022, 30(4): 465-473. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108013

[摘要](120) [HTML全文] (103) [PDF 2853KB](28)

摘要:
舰船尾流检测是当今水下航行器检测及跟踪水面舰船的有效途径之一。然而, 基于时域特征的传统尾流检测方法受限于主观经验及复杂多变的海洋环境, 在舰船尾流智能检测方面具有一定的局限性。针对复杂环境下传统尾流检测方法精度和适应性不足的问题, 引入深度学习理论提升模型的自主学习和环境适应能力, 且考虑到舰船尾流样本获取困难, 提出了一种基于时频分析和迁移学习的舰船尾流检测方法。该方法首先利用短时傅里叶变换提取尾流信号的时频域特征, 然后采用参数冻结和微调的策略, 完成预训练卷积神经网络的模型迁移, 最终实现了小样本下舰船尾流的有效检测。结合实航数据的尾流检测试验, 结果表明: 相比于传统尾流检测算法, 基于时频分析和迁移学习的尾流检测方法正确率提升了10%左右, 最高可以达到97.49%, 兼具了时间成本低、样本需求少和识别性能高的特点, 具有明显优势。

水下滑翔机中尺度过程空间采样运动仿真

秦悦, 王冠琳, 官晟, 王岩峰, 丁军航

2022, 30(4): 474-484. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112003

[摘要](210) [HTML全文] (73) [PDF 2890KB](28)

摘要:
海洋中尺度过程包括涡旋、锋面和内波等现象, 是海洋中一类重要的动力过程, 在全球气候变化、海洋能量热量和物质输送过程中起着重要作用。对此类过程的观测与研究, 在海洋资源勘测、海洋生物探索以及军事等领域也有着较为重要的现实意义。水下滑翔机已成为近年来观测中尺度过程的重要工具之一。文中以海燕-Ⅱ自主式无人水下滑翔机作为研究对象, 首先, 根据动量和角动量定理建立了其六自由度动力学模型; 然后, 利用Simulink仿真对该模型进行了验证, 由仿真结果可知, 所提出的动力学模型能够较好地实现运动仿真; 最后, 针对几种中尺度过程不同的探测要求, 设计了水下滑翔机的运动方案, 并进行了空间采样运动的仿真, 仿真结果可为日后实际观测应用提供参考和优化参数。

航行器水面滑行流场特性数值仿真

刘富强, 孙元, 王广平, 王雪峰

2022, 30(4): 485-493. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202107003

[摘要](217) [HTML全文] (61) [PDF 3581KB](24)

摘要:
基于STAR-CCM+数值计算软件, 选用剪切应力传输k-ω湍流模型, 采用流体体积波和多重运动参考系构建航行器水面滑行数值仿真模型, 并进行了可行性验证。利用该模型对航行器在不同速度下的水面滑行工况进行数值仿真, 研究其流场特性和流体动力特性。仿真结果表明, 航行器在水面滑行速度高于30 m/s时, 尾端发生空化, 空泡内压力低于航行器尾端沾湿面压力; 空泡发生形变, 液面向航行器尾部卷曲并形成飞溅, 航行器尾端形成封闭空泡, 在泡内出现绕流, 泡内为低压区, 此时航行器的升力为负值, 待滑行速度提高, 空泡溃灭与大气连通, 升力值明显提高; 在航行器以不同速度进行水面滑行的过程中, 流场明显不同, 导致升力系数和阻力系数差异较大, 升力甚至出现负值, 其主要与不同速度下航行器尾端空化效果不同, 导致沾湿及航行器表面压力分布存在差异有关。研究结果可为航行器水面滑行工程应用提供理论参考。

基于DR/USBL的HOV组合导航算法

刘贤俊, 叶鹏, 张同伟, 刘锡祥, 盛广润

2022, 30(4): 494-499. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202105003

[摘要](195) [HTML全文] (100) [PDF 1547KB](27)

摘要:
针对近海底作业的深海载人潜水器(HOV), 提出了一种经济可行的组合导航算法。该算法利用HOV搭载的多普勒测速仪、捷联罗经构成航位推算(DR)系统, 结合超短基线(USBL)水声定位系统提供的位置信息设计了一个四维卡尔曼滤波器构成DR/USBL组合导航系统。考虑到USBL实测定位数据中包含大量野值和少量缺失值, 设计了一种利用DR辅助USBL的在线数据清洗方案, 该方案具有较强的鲁棒性, 能够为DR/USBL组合导航系统提供连续一致的量测数据。基于海试数据的半物理仿真结果表明, DR/USBL组合导航系统能够有效地融合2个系统的优点, 输出更平滑精度更高的位置信息, 定位误差不超过25 m。

环境压强连续变化作用下水下燃气射流数值仿真

王佳雯, 祁晓斌, 王瑞, 李瑞杰, 梁景奇

2022, 30(4): 500-506. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108017

[摘要](126) [HTML全文] (63) [PDF 2360KB](20)

摘要:
深海反潜导弹在水下航行过程中会经历大幅度的水深变化, 伴随着环境压强的连续变化, 反潜导弹水下固体火箭发动机的水下燃气射流结构与工作特性具有重要的研究意义。文中采用液体体积多相流模型, 结合用户自定义函数和动网格技术, 建立了水下固体火箭发动机轴对称动态模型, 对水下发动机沿垂向运动至250 m水深过程进行数值仿真。仿真结果表明, 在水下运动过程中喷管尾部燃气射流不再出现断裂与回击等现象, 在超音速射流建立过程中, 激波逐步推出喷口, 最终形成位置固定的锥形激波; 在100 m水深以下, 燃气射流流场特性受环境压强的影响较大, 呈现较强的压缩性; 在大航速200 m/s速度航行时, 射流梗阻效应减弱, 使得水下发动机工作性能受到环境压强的作用较小。文中研究可为水下发动机深水垂向运动工作性能提供参考。

鱼雷电磁引信干扰机作战仿真及效能分析

刘文钰, 高永琪, 张洪刚

2022, 30(4): 507-513. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109017

[摘要](373) [HTML全文] (39) [PDF 2163KB](57)

摘要:
鱼雷电磁引信干扰机是一种在水面舰艇尾流区域内对抗尾流自导鱼雷的武器装备, 干扰机作战使用参数的确定决定了其对抗效果的好坏。为确保鱼雷电磁引信干扰机产生足够好的对抗效果, 建立了鱼雷电磁引信干扰机作战使用模型, 并对鱼雷电磁引信干扰机布设间隔、布设数量以及作用半径等参数与使用电磁引信干扰机对抗尾流自导鱼雷的成功概率之间的关系进行仿真。结果表明：使用鱼雷电磁引信干扰机对抗尾流自导鱼雷, 可以有效保护水面舰艇的安全和战斗力, 且干扰机的上述参数对有效提高对抗成功概率具有显著影响, 同时得出在作用半径一定的条件下, 满足干扰效果要求的干扰机布设间隔与布设数量的最佳组合。文中工作可为鱼雷电磁引信干扰机性能指标的确定以及作战使用提供参考。

航行器水下充气正浮力建立时间研究

孙元, 王广平, 李春雨, 王雪峰

2022, 30(4): 514-518. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202106010

[摘要](218) [HTML全文] (54) [PDF 1335KB](27)

摘要:
为了提高航行器水下回收的安全性, 航行器设计停车深度需与上浮装置充气时间相匹配。目前针对航行器上浮装置水下充气时间的研究成果不具有普遍性，不适用于不同结构形式的浮囊与充气管路。由于上浮装置充气管路不适合采用传统方法测试管路流量系数, 文中重新设计了管路流量系数测试方法，测得充气管路的流量系数, 并采用定积绝热放气条件下充气时间计算模型计算上浮装置充气时间，计算结果与试验数据吻合较好。研究结果可为航行器航深设计及停车流程提供参考。

双雷齐射时前雷航行噪声对后雷主动声自导检测的影响分析与对策

邓新文, 谢勇

2022, 30(4): 519-522. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202001

[摘要](257) [HTML全文] (95) [PDF 1022KB](25)

摘要:
主动声自导鱼雷双雷齐射反潜时能有效扩大鱼雷搜索带与遮盖较大的目标散布, 是潜艇反潜作战中主要的鱼雷射击方式。文中在分析主动声自导鱼雷双雷齐射方法、平行航向齐射组织实施与前雷航行噪声对后雷主动声自导检测影响机理的基础上, 基于声呐方程建立了前雷航行噪声对后雷主动声自导作用距离的影响模型。算例表明: 前雷航行噪声对后雷主动声自导作用距离有较大的影响, 影响程度随齐射时间间隔的变化而不同。最后就实战中如何降低前雷航行噪声对后雷的影响给出了建议。

水下航行器非正常超浅停车问题研究

李厚全, 冯潇涛, 张孝芳, 赵志博

2022, 30(4): 523-527. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202112019

[摘要](117) [HTML全文] (36) [PDF 990KB](21)

摘要:
针对水下航行器在设定深度下航行时, 有时会出现航行深度未达超浅深度而出现非正常超浅停车的问题, 对可能导致水下航行器非正常停车的各种因素进行了分析。采用数值仿真分析了不同航速下流体压力对水下航行器不同位置的影响, 并结合海上试验数据分析了水下航行器非正常停车故障发生时的水动力误差分布规律。数值仿真和海上试验分析表明, 水下航行器航行深度临近最小航行深度时, 航行器前、后端深度传感器所受流体压力存在差异, 且随航速不同而不同, 当航行超过一定航速引起流体压力误差过大, 导致后部的深度传感器所处深度为正常设定深度而前部的深度传感器已处于超浅状态, 此时便会发生非正常停车故障。

数据驱动的AUV鱼雷攻击有效阵位自主决策方法

郭力强, 马亮, 张会, 杨静

2022, 30(4): 528-534. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202108009

[摘要](3192) [HTML全文] (36) [PDF 1210KB](631)

摘要:
自主决策能力是无人水下航行器与有人平台的最显著区别, 要求决策速度快、正确率高、方案可执行。针对自主水下航行器(AUV)发射声自导鱼雷攻击水面舰艇时传统有效阵位决策方法在攻击效果和决策速度方面的不足, 提出将作战仿真与集成学习相结合的自主决策方法。首先通过作战仿真优化声自导鱼雷发现目标概率, 得到不同战场态势下的大量基础数据; 而后设置鱼雷发现概率判断阈值, 将 AUV有效阵位决策转换为二分类问题, 形成分类实验数据; 最后分析支持向量机、随机森林和XGBoost的分类效果, 得出集成学习更适用于该不均衡样本分类问题的结论, 并进一步对模型在多种任务阈值下的适应能力和复杂海洋环境下的泛化能力进行检验。实验结果表明, 该方法在保证鱼雷攻击效果的前提下, 可大幅加快AUV决策速度, 满足攻击决策要求, 为装备攻击规划模块的研究提供参考。

拦截弹高海况适应性评估方法

邵宗战, 熊勇, 戴文留

2022, 30(4): 535-542. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202202008

[摘要](114) [HTML全文] (25) [PDF 2488KB](24)

摘要:
拦截弹装备于水面舰艇, 其主要使命任务是对来袭的反舰鱼雷实施硬杀伤拦截。工作时, 拦截弹收到系统点火信号后, 发动机点火, 弹体出管飞行; 弹体入水后, 声引信完成分离, 悬浮装置点火, 弹体分离, 气囊充气上浮; 待弹体稳定悬浮后, 开始正常工作。因此, 拦截弹发射飞行及入水分离是否正常是影响其作战效能的关键因素。但在高海况下, 对这些因素的评估存在试验组织实施难、试验产品回收难以及试验数据测量难等一系列实际问题。文中针对该装备的技术特性、使用环境, 提出了拦截弹作战使用需满足的性能要求, 并采用试验验证与仿真计算相结合的综合评估方法, 针对拦截弹的弹道攻角、入水过载和连接件受力3个方面的性能能否满足规定的高海况使用要求进行了研究。结果表明, 上述3方面性能均满足规定的高海况使用要求, 为进一步给出该拦截弹高海况适应性状态鉴定结论提供了技术支撑。

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