水下无人系统学报

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闫敬, 杨锦, 杨晛, 罗小元

2024, 32(6): 971-979. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0006

[摘要](144) [HTML全文] (49) [PDF 1933KB](51)

摘要:
考虑水下拒绝服务(DoS)攻击和声线分层效应的影响, 研究了基于水声传感器网络(UASN)的目标追踪问题。首先考虑由水下传感器、水面浮标和水下目标组成的UASN架构。基于此, 构造了水下目标运动模型和水下Dos攻击模型, 提出了一种改进的一致性无迹卡尔曼滤波(UKF)水下目标追踪算法。进一步, 证明了追踪算法的收敛性, 推导了算法的克拉美罗下界。仿真和实验结果表明, 文中算法可以在水下环境有效进行目标追踪, 基于一致性UKF的算法提高了跟踪精度。

声学探测型水下滑翔机吸声结构设计及仿真分析

曾栋海, 吴新宇, 袁畅, 彭宇轩, 张建星, 李宝仁

2024, 32(6): 980-988. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0092

[摘要](72) [HTML全文] (26) [PDF 1853KB](23)

摘要:
机械噪声中的辐射噪声会对声学探测型水下滑翔机声学探测性能产生严重影响, 针对该问题, 文中将吸声结构引入水下滑翔机的辐射噪声降噪研究。首先建立不同吸声结构的理论模型, 根据微穿孔板和多孔材料吸声理论, 提出用于降低水下滑翔机辐射噪声的复合吸声结构, 并利用Comsol软件对复合吸声结构进行仿真分析, 用于指导复合吸声结构设计。仿真结果表明: 多孔材料层-空气腔-微穿孔板层-并联空气腔的复合吸声结构在0~2 000 Hz内的效果最好, 其在200~1 200 Hz内的平均吸声系数为0.663, 能有效降低水下滑翔机特定工况下的辐射噪声, 减小自噪声的干扰, 提高声学探测滑翔机的探测水平。

综合观测浮标波浪能供电系统混合储能控制方法

刘旭, 陈震, 刘臻, 黎明

2024, 32(6): 989-999. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0070

[摘要](106) [HTML全文] (36) [PDF 2309KB](32)

摘要:
波浪能是一种持续性好、分布范围广的绿色可再生能源, 可以为综合观测浮标持续性供电, 但波浪变化速度较快, 能量峰均比较高, 需要通过混合储能系统平滑其能量波动, 以便可靠地向电力负载供电。混合储能系统需要兼顾功率密度和能量密度特性, 能量管理策略对于充分利用不同器件的特性、延长系统的寿命至关重要。文中重点研究了波浪能供电中储能系统能量分配和功率控制方法, 提出了一种基于深度确定性策略梯度的混合储能系统功率分配和控制策略, 旨在保持母线的稳定并充分发挥蓄电池与超级电容2种储能技术的优势。仿真实验和实物试验证明了所提策略可使蓄电池充放电功率峰值大幅降低, 母线电压纹波被控制在1.6%以下，显著提高了波浪能供电系统的稳定性。

基于VRFT的AUV自抗扰控制器参数整定方法

侯孝东, 杨睿, 黎明

2024, 32(6): 1000-1008. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0071

[摘要](133) [HTML全文] (60) [PDF 1401KB](31)

摘要:
自抗扰控制(ADRC)不依赖模型, 抗干扰能力强, 可以很好地解决自主水下航行器(AUV)模型不确定性和外部环境复杂的问题, 然而ADRC控制器的参数整定存在一定困难。针对该问题, 文中提出了一种基于虚拟参考反馈整定(VRFT)的ADRC控制器参数整定方法。首先针对AUV艏摇模型设计了ADRC控制器; 其次给出了VRFT-ADRC控制器参数整定方法; 最后针对角度传感器延迟问题给出了基于史密斯预估器的ADRC控制器设计方法。仿真证明, 该方法能够在模型信息未知的情况下, 仅通过开环实验的输入输出数据, 对AUV的ADRC控制器参数进行整定, 达到期望的控制效果。

基于SVM的航位推算误差补偿

李鑫, 王晓鸣, 武建国, 赵基伟, 忻加成, 陈凯, 张彬

2024, 32(6): 1009-1017. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0004

[摘要](113) [HTML全文] (46) [PDF 18526KB](24)

摘要:
在使用机器学习方法对自主水下航行器(AUV)航位推算进行误差补偿时, 通常采用神经网络算法。但神经网络需要大量的训练样本才能达到稳定的训练结果。为了解决此问题, 文中对支持向量机(SVM)在航位推算的误差补偿问题进行研究。利用SVM训练出误差补偿模型, 对航位推算进行误差补偿, 提高了导航精度。误差补偿模型选取AUV的俯仰角、横滚角和航向角, 多普勒计程仪(DVL)对地的前向、右向和天向速度以及航位推算时间等7个参数作为输入参数, 以全球卫星定位系统(GPS)和惯导+DVL组合提供的经纬度与航位推算的经纬度差作为模型的输出, 训练出误差补偿模型。对比神经网络算法, 在数据量较少的前提下, SVM训练模型和神经网络训练模型的相对误差分别为0.28%和0.93%。进而通过湖上试验得出, SVM训练模型能够将航位推算的相对误差控制在0.5%内。

AUV全向运动轨迹跟踪控制方法

徐江鹏, 王俊雷, 唐怡

2024, 32(6): 1018-1028. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0084

[摘要](247) [HTML全文] (65) [PDF 2703KB](71)

摘要:
自主水下航行器(AUV)的精确轨迹跟踪能力是完成勘探、避障及管路巡检等水下任务的技术基础, 但AUV是典型欠驱动系统, 满足非完整动力学约束, 导致无法跟踪某些特殊轨迹, 也无法完成如守位调头、机头定点环绕观测等特殊水下动作。多数研究者基于欠驱动系统理论, 研究如何提升AUV水下轨迹跟踪能力, 文中则从结构改进的角度, 通过借鉴水下遥控航行器(ROV)构型设计提出了AUV全向运动轨迹跟踪控制方法。该方法在保留AUV原有低阻流线型的鱼雷状结构设计与运动模式的前提下, 再赋予其全向运动模式。文中以Bluefin系列AUV为例, 设计改造全向式运动结构, 开发基于Hermite算法的轨迹生成算法、基于缩放因子的轨迹导引算法以及航行-航向混合控制算法, 并对控制方法进行了仿真与水下试验验证。结果表明, 该方法能够实现AUV全向航行, 解决AUV轨迹跟踪中的运动约束问题, 使AUV具备对任意轨迹的跟踪能力, 并完成了特殊的水下动作。

水下装备关节电机多参数辨识研究

石麟, 胡桥, 石鑫东, 孙良杰, 张箭, 刘海洋

2024, 32(6): 1029-1038. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0062

[摘要](93) [HTML全文] (30) [PDF 1352KB](34)

摘要:
随着水下无人系统的快速发展, 关节电机作为水下机器人、水下机械臂等水下装备的核心驱动装置发挥着重要的作用。文中针对不同工作环境影响下导致的关节电机参数改变, 从而引起的电机控制的精确性和稳定性变差的问题, 开展电机多参数在线辨识研究。采用增加稳态工作点方法实现多参数的满秩辨识。同时, 为提高辨识方法的精度和鲁棒性, 研究了扩展卡尔曼滤波(EKF)和H_∞滤波(HIF)算法在电机参数辨识方面的可行性, 进而提出了一种基于自适应EKF(AEKF)和自适应HIF(AHIF)的联合估计方法。通过仿真对比发现, 在参数辨识时, 所提出的AEKF+AHIF联合估计方法相较于AEKF算法稳态标准差最大减少了84.7%, 相较于AHIF算法精确度最大提升了91.7%。该联合估计方法可为水下装备关节电机的稳定高效运行提供理论和技术支撑。

基于模糊控制的鱼雷自导组合导引律

穆宝明, 程健庆, 潘峰

2024, 32(6): 1039-1044. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0073

[摘要](88) [HTML全文] (38) [PDF 930KB](19)

摘要:
在鱼雷自导导引过程中, 单一导引方法不能适应不同导引阶段, 难以有效保证鱼雷导引效果。为此, 文中结合固定提前角导引法、比例导引法以及变结构导引法等3种不同典型导引方法, 基于模糊控制原理, 设计出一种模糊组合导引律。通过在不同环境下的仿真对比, 结果表明, 模糊组合导引律的综合性能优于其他典型导引律, 可为鱼雷自导导引的实际应用提供借鉴。

基于深度学习神经网络的水中爆炸靶板变形响应预测研究

李治国, 马峰, 朱炜, 贾曦雨, 李一凡, 陈雷

2024, 32(6): 1045-1052, 1062. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0069

[摘要](91) [HTML全文] (35) [PDF 4039KB](31)

摘要:
水中爆炸靶板变形表现为结构与流体在冲击波作用下的复杂非线性耦合作用。文中通过设计和优化深度学习神经网络以预测输出不同靶板厚度、冲击因子、爆炸药量和爆炸距离条件下的靶板动态变形位移数据, 测试集预测的决定系数和准确率达到0.99和0.95。与25个仿真工况数据相比, 基于预测模型得到的9 261个工况数据形成的爆炸变形响应分析图能够覆盖更细致的特征参数范围和最大变形量变化趋势, 可为水中武器设计及水下防护应用提供重要参考依据。

水下平台CO₂基混合工质闭式循环温度适应性分析

冯佳琪, 王俊鹏, 陈真韬, 骆政园, 白博峰

2024, 32(6): 1053-1062. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0051

[摘要](134) [HTML全文] (102) [PDF 3174KB](28)

摘要:
超临界CO₂布雷顿循环系统是水下平台动力技术的重要发展方向, 但由于深海低温较远离CO₂临界温度, 致使循环系统存在温度适应性问题。文中提出了利用CO₂基混合工质改善循环温度适应性并进一步优化循环性能的方案, 建立了简单回热循环热力学模型, 分析了CO₂基混合工质临界参数随加入气体种类和质量分数的变化规律, 阐明了压缩机入口状态参数对CO₂基混合工质闭式循环热力学性能的影响规律, 探讨了混合工质拟临界点位置对回热器夹点和热惯性等的影响。结果表明: 低临界参数混合工质循环可进一步扩大循环温度范围和压比, 以改善循环热力学性能, 但仅扩大温度范围而降低压比可能会对其造成不利影响; 综合考虑循环热效率、比功、回热器内部夹点及热惯性, CO₂+Xe(CO₂/Xe: 0.5/0.5)-跨临界朗肯循环、CO₂+SF₆(CO₂/SF₆: 0.9/0.1)-跨临界液体布雷顿循环以及CO₂+SF₆(CO₂/SF₆: 0.5/0.5)-跨临界朗肯循环较超临界CO₂布雷顿循环热效率最大可提高3.79%, 比功最大可提升31.6%, 回热器夹点位于冷端并未加剧其热惯性, 不会减缓系统响应速度。

水陆两栖机器人螺旋推进性能研究

徐鹏飞, 王子鹏, 林海龙, 开艳, 胡桥, 苏建业

2024, 32(6): 1063-1071. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167

[摘要](413) [HTML全文] (90) [PDF 7063KB](79)

摘要:
传统水陆两栖运动方式多为轮式或履带式与螺旋桨结合的双系统形态。与之相比, 单系统的水陆两栖运动方式因系统复杂度低、运动效率高成为近年来的研究热点。螺旋推进作为一种单系统水陆两栖运动方式, 在沼泽、滩涂等半流体环境下具有较好的适应性, 多年来对其在陆上行驶的研究设计较多, 对其在水中行驶的研究较为缺乏。文中对螺旋推进装置的水中性能展开研究, 根据螺旋推进的原理, 提出螺旋筒的设计方法, 采用水动力仿真方法对不同浸没深度下的螺旋筒进行推力计算, 发现螺旋筒在0.9倍浸没深度时产生的推力最大。基于自主设计研发的水陆两栖机器人样机开展水中推进测试, 结果表明在水中螺旋筒推进状态稳定。进一步的, 使用响应面法从螺旋叶片高度、螺距2个方面对螺旋筒开展优化设计工作, 优化结果较原设计方案可提升18.2%的推进效率。

基于声学超材料的鱼雷动力舱段减振方法

孙旭阳, 周景军, 王谦, 张志民

2024, 32(6): 1072-1081. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0063

[摘要](181) [HTML全文] (45) [PDF 4455KB](69)

摘要:
鱼雷声隐身性能直接影响发射平台的安全性、自身攻击的隐蔽性及线导导引的有效性。目前广泛采用的减振降噪手段在控制鱼雷中低频振动方面效果不佳, 为解决这一问题, 文中针对鱼雷动力舱段展开了声学超材料减振方法研究。首先, 对动力舱段在轴向激励下的振动响应特性进行分析, 设计了悬臂梁局域共振单元结构, 并对该结构的带隙特性及减振效果进行分析。其次, 针对动力舱段支承结构, 提出基于声学超材料的减振方案。仿真分析发现, 声学超材料在相应带隙范围内对振动具有显著的抑制效果, 某些测点的衰减量高达11.95 dB。最后, 试验验证了声学超材料减振方案的有效性, 为解决鱼雷动力舱段中低频振动问题提供思路。

通电线圈方式的潜艇磁场模拟研究

管峰, 盛兆华

2024, 32(6): 1082-1090. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0040

[摘要](173) [HTML全文] (62) [PDF 2073KB](41)

摘要:
通电线圈聚磁法因潜艇磁场模拟逼真度高、磁场分布特征和强度可调节、机动性好、环境依赖性低及安全性高等明显优势, 受到越来越多的关注。为更好指导通电线圈方式潜艇磁场模拟器设计, 深入研究其分布特性十分必要。文中给出潜艇空间磁场和任意通电导线空间磁场计算方法, 提出分体式三轴正交线圈潜艇磁场模拟工程方案, 对比研究该方案磁场与潜艇空间磁场分布特征。研究结果表明三轴正交线圈方式能较好地模拟潜艇空间磁场分布特征, 但不能完全反映分布尺度, 为潜艇磁场模拟提供了技术参考。

水下蛇形机器人建模与运动控制

李佩娟, 杨刚, 郭铁铮, 鲁洋

2024, 32(6): 1091-1099. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0009

[摘要](203) [HTML全文] (69) [PDF 2074KB](58)

摘要:
针对水下蛇形机器人在复杂水下环境自主游动难问题, 设计了一种水下蛇形机器人机构。基于蛇类运动机理建立运动学模型, 提出一种基于模糊控制和中枢模式生成(CPG)的运动控制方法, 通过对单个Hopf振荡器模型中极限环的稳定性进行分析, 搭建由多个Hopf振荡器构建形成的具有双耦合链条网拓结构的CPG模型, 引入模糊控制器与CPG模型一起构成闭环控制网络。对水下蛇形机器人进行仿真和实验结果表明, 样机可实现直线蜿蜒运动、左右转弯运动和U型运动实验, 在3种运动模式中, 水下蛇形机器人不仅拥有良好的稳定性, 而且能够保持优越的灵活性与机动性。

鱼雷聚能战斗部侵彻含水复合装甲理论与试验

朱奇峰, 黎勤, 王团盟, 尚伟, 马红兵

2024, 32(6): 1100-1107. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0148

[摘要](124) [HTML全文] (83) [PDF 7431KB](22)

摘要:
为了合理预测鱼雷聚能战斗部对含水复合装甲的侵彻威力, 基于A-T模型和两阶段孔径增长理论, 并结合基于虚拟原点理论的侵彻体侵彻过程分析, 提出了对含水复合装甲侵彻深度和穿孔直径的理论模型。开展了缩比鱼雷聚能战斗部侵彻含水复合装甲试验研究, 其中鱼雷头段分别采用单层铝板和累计一定厚度的间隔铝板模拟, 同步开展侵彻威力数值仿真。对理论计算、仿真和试验结果进行了对比分析, 验证了理论模型的合理性。相关研究可以为鱼雷聚能战斗部威力快速预测、优化设计以及针对潜艇防护结构尺寸及参数特性的大威力新型聚能战斗部技术研究提供支撑。

典型水下航行器爆炸毁伤动力学特性研究

严侃

2024, 32(6): 1108-1116. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0139

[摘要](87) [HTML全文] (33) [PDF 2583KB](26)

摘要:
文中研究探讨的大型水下航行器结构的爆炸毁伤特性, 不仅对于提高航行器的生存能力至关重要, 也对海战中的战术应用和战略部署具有深远的影响。首先, 使用结构化任意拉格朗日-欧拉(S-ALE)算法建立了水下航行器和爆炸模型, 总结了水下爆炸下近壁面气泡运动特性。之后探讨了在水下爆炸冲击波和气泡载荷作用下, 航行器结构的破坏特性。结果表明, 静水压力会扩大爆炸对结构的毁伤。当航行器结构遭遇两发武器攻击时, 在一定范围内, 水平布置的两爆源间距越大, 航行器毁伤越严重。

一种高精度水下武器发射内弹道计算方法

杨春, 李开福, 陈炜彬, 李录甜, 李银龙

2024, 32(6): 1117-1122. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0123

[摘要](183) [HTML全文] (55) [PDF 1699KB](14)

摘要:
针对水下武器气动发射系统，提出了一种高精度内弹道计算方法。该方法将高精度理论推导和计算流体力学滑移技术相耦合, 对发射过程中的高压气体域运用四阶Runge-Kutta法进行求解, 对水域部分采用滑移网格进行单自由度武器发射仿真, 从而实现对内弹道的高精度计算, 可弥补理论计算误差偏大和流体仿真成本高的缺陷。对比试验数据可知, 通过该方法得到的武器出管速度平均误差为5.6%, 发射气瓶截止压力平均误差为4.0%，证明了该方法的准确性。

轮毂比对水下航行器高速泵喷推进器性能影响研究

甘工昌

2024, 32(6): 1123-1130. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0091

[摘要](42) [HTML全文] (19) [PDF 2487KB](14)

摘要:
为了探究轮毂比对水下航行器高速泵喷推进器的影响, 以比转速1 920的叶轮为研究对象, 对水下航行器高速泵喷推进器3种不同的轮毂比开展数值计算、性能结果分析比对和试验验证。应用Fluent软件, 采用基于雷诺平均N-S方程和SST k-ω模型, 预测叶轮的扬程、效率及推力。通过数值仿真计算, 得到不同轮毂比叶轮的性能曲线、空化性能数据及内流场状态。结果表明: 叶片表面从叶梢到轮缘的压力梯度逐渐变小, 随着轮毂比的增大, 叶片上最大静压下降, 泵喷推进器的扬程和效率均有所降低, 且空化性能下降明显, 但在空化状态上优于小轮毂比。研究结果可为水下航行器高速泵喷推进器结构优化设计提供参考。

基于多物理场的海洋智能无人装备探测研究现状

王宇扬, 计方, 鹿绍庆, 李国楠

2024, 32(6): 1131-1140. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0048

[摘要](190) [HTML全文] (46) [PDF 1355KB](77)

摘要:
以无人水下航行器、无人水面艇为代表的海洋智能无人装备具有数量多、体积小、智能化程度高且工作内容广等特点。未来海战任务将大量使用海洋智能无人装备, 因此海洋智能无人装备探测技术的发展已经成为各国军备和科研内容的关键技术之一。文中对近年来各国海洋智能无人装备探测方法进行综述, 涵盖了光、电、磁等新型物理场信息源。对多系统协同探测和多信息全方位感知技术的可行性进行分析, 同时阐述了深度智能算法线谱特征探测的研究现状。在未来, 海洋智能无人装备探测将向着智能化、集群化、高精度、鲁棒性以及实时性等方向发展，进一步提高水下目标识别水平将是未来重要的研究方向。

高分辨波达方位估计技术研究进展

赵唯, 李璇, 郝程鹏

2024, 32(6): 1141-1156. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0158

[摘要](75) [HTML全文] (26) [PDF 896KB](38)

摘要:
随着阵列信号处理的广泛应用, 波达方位(DOA)估计作为阵列信号处理的核心问题得到较大发展。文中首先对基于均匀线性阵列的窄带目标方位估计中的基于波束形成的传统算法和近10年的新兴算法进行了总结。分析了传统波束形成方法分辨力受限的原因, 讨论了自适应波束形成方位谱、子空间方法以及压缩感知等更高分辨力的方法; 进一步, 基于实际应用的需要, 总结了宽带目标方位估计方法、基于稀疏阵列的DOA估计方法以及二维DOA估计方法的进展。最后介绍了基于人工智能的方法在DOA方位估计中的新进展。文中的研究可应用于现代雷达声呐探测、无线电通信以及导航中, 具有较高的应用价值。

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