水下无人系统学报

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张翔鸢, 董小龙

2023, 31(6): 821-826. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0092

[摘要](290) [HTML全文] (114) [PDF 748KB](106)

摘要:
水声对抗装备能够对声自导武器实施软杀伤, 提高舰艇在海战中的生存能力。气幕弹、噪声发生器和声诱饵等现有水声对抗装备在智能化、机动性、自持力和灵活性等方面存在不足, 难以满足未来海战需求。文章以分布式海上作战为背景, 提出在无人水下航行器(UUV)基础上集成水声对抗技术, 发展水声对抗UUV, 改进水声对抗模式, 通过集群战术提高水声对抗效能。从未来海上作战需求角度, 阐述了智能组合对抗性能的重要性, 同时分析了目标高效识别、任务自主规划、持久高效机动、多域平台投送等关键性能。在剖析分布式海上作战基本特征和力量运用特点的基础上, 研究了水声对抗UUV在水下侦察、破除雷障、反声自导武器以及反无人舰艇集群等方面的典型运用。

基于ESO的水下机器人机械臂系统鲁棒模型预测控制

王红都, 高枫, 黎明, 付东飞

2023, 31(6): 827-838. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0074

[摘要](189) [HTML全文] (60) [PDF 4411KB](68)

摘要:
考虑到海洋环境的复杂性、不确定性及水下机器人机械臂系统(UVMS)的强非线性、强耦合性等特点, 提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的鲁棒模型预测控制(RMPC)方法。首先基于UVMS的动力学特性, 建立其动力学模型, 并忽略不确定项和干扰给出其名义模型系统。然后, 基于名义系统设计了RMPC算法。将原系统的不确定项、干扰以及建模误差等影响因素集总为扩张状态, 设计了ESO对其进行估计, 并在名义模型的RMPC基础上进行了补偿, 以得到应用于UVMS系统的RMPC方法。最后通过仿真实验证明, 基于ESO的RMPC具有很好的轨迹跟踪性能和抗扰动能力。

基于一维卷积神经网络的舰船尾流检测

杨长生, 苟文博, 梁红

2023, 31(6): 839-846. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0052

[摘要](173) [HTML全文] (42) [PDF 1421KB](41)

摘要:
为了提高舰船尾流的检测准确率, 提出一种基于一维卷积神经网络(1DCNN)的舰船尾流检测方法。利用舰船尾流散射回波模型构建仿真数据集, 通过水箱仿真实验验证散射回波模型的可靠性并构建实验数据集, 最后综合考虑不同结构模型的检测准确率和参数量搭建了1DCNN并与传统检测算法(基于单分类支持向量机和反向传播神经网络)在数据集上进行对比分析。仿真结果表明, 相比与传统检测算法, 文中所提出的1DCNN提高了不同信噪比下舰船尾流的检测准确率和检测效率, 具有较好的工程应用价值。

基于紧组合的SINS/DVL/USBL导航算法

章彩霞, 刘锡祥, 黄永江, 陈世杰, 陶育杰

2023, 31(6): 847-855. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0076

[摘要](217) [HTML全文] (86) [PDF 1802KB](52)

摘要:
针对自主水下航行器在水下复杂环境下对于高精度、高可靠性的导航定位需求, 提出了一种捷联式惯导系统(SINS)/多普勒测速仪(DVL)/超短基线(USBL)定位系统紧组合导航算法, 构建了基于频移量测的SINS/DVL紧组合量测方程和基于相对测量信息量测的SINS/USBL紧组合量测方程, 通过集中卡尔曼滤波的方法, 对SINS、DVL和USBL的信息进行融合处理。针对水下复杂环境造成导航精度下降的问题, 充分考虑DVL和USBL的数据野值情况, 利用卡方检验法进行判断后对故障数据隔断处理, 实时更新量测方程维数, 保证系统精度。仿真验证可知, 该算法对比其他不同组合模型算法具有较高的定位精度, 对比传统的基于速度量测和相对位置量测的SINS/DVL/USBL集中滤波方法精度可提升约23%; 在DVL数据失效时, 定位误差较正常情况仅增长5.2%; 在USBL数据失效时, 定位误差较正常情况增长165.4%, 鲁棒性和稳定性显著优于基于其他量测的SINS/DVL/USBL的集中滤波导航算法, 可实现高精度和高可靠性的水下导航定位。

Li/SF₆燃烧反应路径及机理研究

温伯尧, 王起源, 孙成珍, 宗潇, 骆政园, 白博峰

2023, 31(6): 856-863. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0012

[摘要](177) [HTML全文] (56) [PDF 2068KB](44)

摘要:
揭示Li/SF₆燃烧反应机理是构建燃烧动力学模型、高效组织燃烧过程的关键基础, 但是现有实验测试以及宏观模拟方法难以揭示Li/SF₆燃烧的分步反应机理。文中结合ReaxFF反应分子模拟和第一性原理计算方法研究了Li和SF₆的微观反应过程, 分析了反应物和产物组分的动态演化特性, 获得了主要反应路径及其反应热。研究发现, 反应的起始过程为SF₆分子S-F键的断裂, LiF是反应初始时刻的主要产物; 随着反应的进行, 多余的Li形成Li₂并与S成键形成Li₂S; 反应后期, 2个LiF分子结合反应形成Li₂F₂。基于反应物浓度变化获得了Li和SF₆的总反应速率, 结果表明, 总反应速率与反应物浓度、反应物比例呈正相关关系, 这是因为反应物浓度或比例的增大均会导致反应物分子之间碰撞概率的增加; 初始温度对总反应速率的影响则相对较小。结合第一性原理得到的反应物焓值, 计算各个分步反应的放热量, 进而得到Li/SF₆的反应热为−2216.7 kJ/mol, 与理论值及实验值均接近。研究结果为复杂燃烧反应的分步反应机理揭示和反应热计算提供了有效途径。

尾流气泡幕中光子传输时间 Monte Carlo仿真

闫林波, 张建生

2023, 31(6): 864-870. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202212003

[摘要](111) [HTML全文] (47) [PDF 1238KB](30)

摘要:
目前关于尾流气泡幕的Monte Carlo仿真多用于光子散射方向, 很少有学者研究光子传输时间的分布。文中基于Henyey-Greestein体散射函数, 建立了一种水中脉冲激光的前向散射模型, 基于该模型采用Monte Carlo方法仿真光子在气泡幕中的传输过程, 得到光子在含有气泡幕的水体中的传输时间分布。并利用该模型分别对不同气泡幕厚度、气泡尺寸以及探测距离的光子传输时间进行仿真。仿真结果表明: 气泡幕的厚度越大, 光子在气泡幕中的传输时间越长, 脉冲激光后沿的后移程度越大, 表现为脉冲激光展宽变宽; 气泡尺寸越大, 气泡对光的散射程度越大, 脉冲激光后沿的后移程度越大; 随着激光光源与气泡幕的距离变大, 光子传输时间表现为整体向后平移, 其脉冲宽度及峰值强度变化不大。根据探测器探测到光子的起止时间和光子数的峰值变化可以反映出尾流的特性, 从而实现尾流的精确定位、识别与测量。

水下运载器声学性能预估

傅晓晗, 付学志, 王敏庆

2023, 31(6): 871-877. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0094

[摘要](137) [HTML全文] (22) [PDF 1643KB](53)

摘要:
随着深海捕捞和海洋牧场的发展, 运载器水下辐射噪声对鱼类等海洋生物的影响不可忽视。为评估水下运载器的辐射噪声对海洋生物的影响, 根据被动声呐方程和水下辐射噪声传播损失特性建立了运载器的安全工作半径计算模型, 量化了水下运载器的安全工作区域。以商用水下运载器G1和对动力系统进行了声学优化设计的G2为研究对象, 在声学性能试验的基础上分析了2种运载器的声辐射特性, 进一步分别计算、对比了2种运载器与海洋鱼类和水下设备之间的安全工作半径。研究表明, 运载器的辐射噪声由宽频噪声和线谱噪声组成, 低频线谱噪声是影响运载器声学性能的主要因素, 优化动力系统有效改进了运载器的安全工作半径, 降低了其对海洋生物的影响。文中工作可为海洋声学牧场的商用运载器声学性能评估及优化提供参考。

水下航行器有限时间滑模控制

褚悦, 石泽林, 王孟军, 刘平安

2023, 31(6): 878-884. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0060

[摘要](148) [HTML全文] (46) [PDF 1625KB](37)

摘要:
针对水下航行器系统不确定性和非线性, 为解决不完全包裹水下航行器的纵向控制问题, 提出一种基于径向基函数神经网络的有限时间滑模控制系统。其中, 水下航行器状态空间方程中的未知项由神经网络的估计值补偿, 神经网络的权重由相应的自适应律更新。通过李雅普诺夫稳定性理论证明了该系统的稳定性, 其中跟踪误差可以在有限时间内收敛到接近零的小邻域。仿真结果表明, 文中的控制系统可使水下航行器在有限时间内较好地跟踪期望轨迹。

基于Kane动力学的十字舵型欠驱动AUV建模与仿真

杨柯

2023, 31(6): 885-890. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0085

[摘要](162) [HTML全文] (48) [PDF 1203KB](43)

摘要:
为了获得更加精确的自主水下航行器(AUV)动力学模型, 引入Kane动力学的相关知识, 推导出十字舵型欠驱动AUV的运动学和动力学方程。以AUV的位置、姿态、水平舵角和垂直舵角为广义坐标, 推导出广义速度、偏速度和偏角速度的计算公式, 分析了广义主动力和广义惯性力的计算方法, 给出了Kane动力学的建模步骤。通过仿真验证了该建模方法的有效性。

基于蒸馏水的海水折射率设备标定方法

王虎, 陈薪羽, 李丽艳, 周燕

2023, 31(6): 891-895. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0098

[摘要](210) [HTML全文] (54) [PDF 1426KB](18)

摘要:
在对海水折射率测量设备进行标定时, 针对现有标定方法存在量少价高和操作繁杂等问题, 文中首先基于现有的海水折射率经验模型, 参考南海海域0~2 000 m范围内温度和盐度的动态范围, 计算得到相应折射率的动态范围。提出一种基于蒸馏水的海水折射率测量设备标定方法, 选定蒸馏水介质在符合海洋测量应用的折射率动态范围下, 进行了温度为0.1 ℃步长的折射率测量实验。通过与Tilton经验模型的插值理论值进行对比, 验证经验模型获得的理论值准确性, 为后续基于蒸馏水的海水折射率测量设备的标定应用选定了可信的数据集。

一种基于主动声呐图像多重累积的航迹起始方法

王凯, 焦君圣

2023, 31(6): 896-902. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0078

[摘要](108) [HTML全文] (40) [PDF 1625KB](31)

摘要:
为满足强混响背景下水下运动目标自主检测要求, 针对主动声呐回波信号空时处理后数据量庞大的问题, 提出了一种基于主动声呐图像多重累积的航迹起始算法。首先, 构建主动声呐强混响背景下水下多目标航迹起始模型。通过声呐图像的择大累计, 将距离-方位-帧时间三维声呐图像压缩成距离-方位二维声呐图像, 并保留了累积帧信息。通过质心聚类点迹提取的方法, 获取目标量测信息和能量信息, 完成数据预处理。其次, 对Hough变换的参数空间进行能量累积, 并通过局部峰值检测的方法得到多目标初始航迹。最后, 为提高航迹准确率, 利用速度约束和航迹合并方法, 剔除了混响及合并重复航迹。仿真结果表明, 与常规的目标跟踪方法相比, 该算法有效降低了航迹起始过程中声呐图像的数据量, 在强混响背景下仍能以高检测概率实现水下多目标自主检测。

UUV冲压活塞式装置发射鱼雷内弹道特性研究

杨弓熠, 詹磊, 贾轩, 郭良蛟, 刘国庆

2023, 31(6): 903-910. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0100

[摘要](234) [HTML全文] (51) [PDF 4369KB](46)

摘要:
针对无人水下航行器轻量化、体积小的要求, 文中提出了一种液压缸-冲压活塞-栅状管式发射装置。为评估该装置动力特性, 基于流体动力学和内弹道理论, 建立了该装置发射鱼雷动力学模型, 以液压缸速度为输入, 获得冲压活塞前后端压力特性和发射鱼雷内弹道特性。经对比验证, 上述模型计算结果与计算流体力学仿真结果基本吻合, 证明了所建模型的可靠性。研究结果表明, 冲压活塞运动过程中产生的最大阻力约为0.43 MPa, 为满足液压缸速度输入, 液压缸输出压力及功率可采用上述结果作为设计依据; 冲压活塞运动在0.42 s后作减速运动, 此时鱼雷运动约3.9 m, 为减小鱼雷后续管内运动时的压差阻力, 栅状管孔位可根据上述结果进行优化以提升补水能力, 从而提高发射装置的做功能力。

近底探测型仿生UUV小目标物视觉识别检测系统

陈栢仲, 王崇磊, 郭春雨

2023, 31(6): 911-917. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0099

[摘要](180) [HTML全文] (29) [PDF 2777KB](57)

摘要:
仿生无人水下航行器(UUV)通过模仿海洋生物的运动原理, 替代人力并实现水下作业, 相较于传统的UUV具备高稳定性、高灵活性、低噪声以及强环境通过性等仿生学特性优势, 为近距离水下图像拍摄与水下目标物识别技术提供了优良的作业平台。文中以一种仿生胸鳍柔性波动推进UUV作为研究目标, 针对水下小目标物的贴底检测任务, 开展水下图像预处理技术与深度学习网络Resnet优化的深入研究, 设计一套满足该UUV运动特性的水下环境感知系统。最终通过试验进行验证, 文中提出的水下视觉检测方法的分类结果准确率为89.6%, 与其他分类网络相比具有最高的检测准确率, 能够适用于仿生胸鳍波动推进UUV进行水下贴底目标检测任务。在文章结尾对仿生UUV水下检测识别系统的优势与出现的问题进行了分析并提出了展望。

深海变口径碳纤维复合材料适配器结构与安全设计

张炜权, 潘阳, 李开福, 杨弓熠, 贾国涛, 武海鹏

2023, 31(6): 918-925. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0072

[摘要](93) [HTML全文] (24) [PDF 4129KB](26)

摘要:
为实现水下平台发射装置变口径发射能力, 开展了深海耐压和强尺寸质量约束条件下的变口径适配器结构与安全设计研究。文中适配器采用碳纤维复合材料栅状管结构形式, 在工作压力、试验压力、发射膛压和发射集中力4种工况下开展结构仿真分析, 并分析不同工况下的器材离管安全性。研究结果表明, 文中设计的适配器满足深海耐压和强尺寸质量约束条件(长度≥3000 mm、质量≤60 kg)下的结构强度要求, 设计的1∶5战斗锥度满足器材安全出管要求, 实现了发射装置变口径发射能力。研究成果可为水下平台发射装置适配器的设计提供参考, 适配器结构强度及离管安全性分析结果可指导适配器环境试验及陆上试验。

舰载深弹垂直发射弹道建模及射程影响规律分析

万小辉, 彭士, 张海波, 彭顺, 戴文留, 陈召任

2023, 31(6): 926-933. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0087

[摘要](155) [HTML全文] (70) [PDF 1246KB](28)

摘要:
舰载深弹采用垂直发射后可大幅提高其平台适装性和作战效能, 对提高舰船作战能力具有重要意义。文中以某垂直冷发射深弹为原型, 根据垂直发射运动学及动力学方程, 建立深弹垂直发射弹道计算模型, 基于此模型分别考虑弹重、总冲、炮口初速、转弯高度、末端攻角、转弯结束时俯仰角、升力系数和阻力系数等影响因素, 对舰载深弹射程的影响进行计算分析。结果表明: 1) 射程与总冲、炮口初速、转弯高度、末端攻角及升力系数具有正相关性, 射程与弹重、转弯结束时俯仰角及阻力系数具有负相关性; 2) 弹重、总冲、炮口初速和转弯结束时俯仰角对深弹射程影响较大, 末端攻角、升力系数及阻力系数对深弹射程影响相对较小, 转弯高度对深弹射程几乎无影响。仿真结果可为深弹垂直发射总体及弹道设计提供参考。

基于声学黑洞的水下航行器承压板减振设计及性能研究

马锐磊, 白建斌, 刘一鸣, 田文强, 田丰华, 刘礼文

2023, 31(6): 934-941. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0045

[摘要](133) [HTML全文] (67) [PDF 2510KB](37)

摘要:
为了减少传递到水下航行器探测声学阵列承压板的振动能量, 基于声学黑洞原理设计了一种减振圆板附属结构。采用加速度振级落差表征其减振性能, 并分别开展了激振器轴向和径向激励下的承压板减振性能试验。研究结果表明，该减振圆板结构在50 Hz~10 kHz的频率范围内减振效果良好, 充分说明了文中设计的减振圆板附属结构具有轻质、高效、宽频的减振特点, 拥有广泛的潜在应用价值。

垂直起降无人机涵道螺旋桨地面效应研究

周煜, 陈伟政

2023, 31(6): 942-948. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0075

[摘要](182) [HTML全文] (25) [PDF 1718KB](30)

摘要:
近年来, 涵道螺旋桨作为一种性能优异的推进器被广泛应用于各种垂直起降无人机中, 但国内关于其地面效应的研究还较少。针对此, 文中使用了基于雷诺平均Navier-Stokes方程和多重参考坐标系的求解方法, 通过数值仿真分别计算了不同离地高度下, 3种不同桨叶数的涵道螺旋桨各部件所受力和力矩的变化情况。并结合计算流体动力学计算结果分析了气动特性变化机理, 结果表明在近地高度达到一定值时, 涵道螺旋桨的气动特性发生显著变化, 螺旋桨部分升力增大但涵道部分升力减小, 系统整体所受反扭矩增加。最终量化成升力系数、功率系数和品质因子的变化, 发现随着离地高度的降低, 功率系数明显增大, 涵道螺旋桨的升力系数和品质因子的变化与螺旋桨桨叶数有关。由此得到了地面效应对涵道螺旋桨气动特性影响的初步结论。

一种鱼雷DC/DC电源模块质量比测模型及方法

郭如鹏, 宋婉潇, 朱天鹏, 朱俊琦, 杨冰

2023, 31(6): 949-957. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0028

[摘要](108) [HTML全文] (28) [PDF 2473KB](26)

摘要:
为了能够有效识别和甄选出可供鱼雷使用的性能优良、质量可靠的DC/DC电源模块, 提出了一种鱼雷DC/DC电源模块质量比测模型, 该模型的建立以DC/DC电源模块工作原理和失效模式以及鱼雷使用中出现的故障为切入点, 从性能与功能、结构与形成、设计开发过程、质量保证能力等多个维度总结和分析了对鱼雷DC/DC电源模块质量有相对重要影响的关注点, 进而提炼出相关要素构建了鱼雷DC/DC电源模块质量比测通用模型。在此基础上重点对性能与功能、结构与形成等方面的比测方法进行了研究, 同时, 根据比测模型和鱼雷产品应用场景, 对比测结果的判定提出依据和方法。质量比测模型、比测方法及相关判据的研究, 为鱼雷产品选用DC/DC电源模块提供了系统解决方案, 同时也为鱼雷电路可靠性分析和保障提供了理论支撑。

基于声-固-压电耦合的纵振水声换能器工艺研究

耿鹏飞, 田杜养, 刘小光, 程彩霞, 冀邦杰

2023, 31(6): 958-965. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0084

[摘要](137) [HTML全文] (35) [PDF 1933KB](28)

摘要:
目前纵振水声换能器的设计过程只针对理想状态, 实际过程中生产工艺环节对后期换能器的相关电声性能也有一定影响。文中利用有限元分析软件, 分别建立陶瓷环涂胶有限元模型、陶瓷环装配同轴度有限元模型以及预紧力装配有限元模型, 完成了对相关模型电声性能的仿真分析。对比结果发现: 换能器涂胶粘接可以通过填补各零件端面间的微小空隙来提高压电陶瓷环的整体刚性, 进而使得综合弹性模量增大, 从而导致谐振频率增加, 换能器谐振频率随着粘接层厚度增大而减小, 随着残胶层厚度增大而增大; 陶瓷环装配同轴度高的换能器对应频率处电导也越高且发送电压响应曲线更加平滑, 毛刺明显减少; 施加到预紧力螺栓的预紧力越大, 带匹配层的换能器1阶和2阶谐振频率均增大且对应电导及发送电压响应也发生变化。经过水池试验, 对比分析了仿真结果与试验结果, 其测试结果与仿真结果趋势具有较好的一致性。

水下大功率高速电机SiC MOSFET逆变器设计及对比

翟理, 汪洋, 胡利民, 刘国海, 刘亚兵, 马恩林

2023, 31(6): 966-975. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0016

[摘要](232) [HTML全文] (53) [PDF 3390KB](30)

摘要:
随着“深远海”及高机动性、隐蔽性应用目标的提出, 未来水下航行器动力系统需具备更高的转速、功率密度和效率。文中针对传统Si基功率器件在水下高速大功率电机应用中, 由于开关性能限制, 存在电机换相周期内斩波次数不够, 给电机带来较大的转矩脉动和损耗的问题, 首先对功率器件损耗进行分析, 在PSpice中建立仿真模型, 对比了不同开关频率及温度下SiC金氧半场效晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)损耗, 并在Simulink中对比了不同开关频率下电机转矩脉动。利用SiC功率器件开关频率高、开关损耗低等优点, 将SiC MOSFET应用于水下航行器大功率高速电机逆变器模块, 对软硬件进行设计, 并与IGBT逆变器进行效率对比, 同时分析了SiC MOSFET在高频下对电机转矩脉动的影响, 为SiC MOSFET在水下航行器中应用提供有益借鉴。

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