水下无人系统学报

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2025, 33(4): 573-580. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0050

[摘要](96) [HTML全文](21) [PDF 1623KB](35)

摘要:
在无人艇(USV)技术研究领域, 自主算法的验证与优化是推动该领域技术发展的关键环节, 对于提升系统可靠性、环境适应性和任务执行效能具有重要的研究价值。随着数字孪生技术的快速发展, 基于虚实融合的验证方法已成为智能控制算法研究的重要技术手段。鉴于此, 文中提出了基于虚实融合的USV集群编队控制验证方法。首先, 提出了面向USV集群的虚实融合五维模型概念, 为试验验证提供理论基础; 其次, 搭建了USV物理实验平台, 可在实际海洋环境进行自主航行与控制; 然后, 采用Unity3D软件搭建虚拟实验环境, 建模海上环境和USV模型, 并与实际物理节点实现了通信。最后, 设计无人自主控制算法, 实现了USV编队控制。实验结果表明, 文中提出的系统方法能够有效用于USV集群自主算法的验证, 为未来海上无人装备智能协同作战和模拟对抗训练提供了新思路和新范式。

基于ADC模型优化的声学滑翔机系统效能评估

唐帅, 范培勤, 张驰, 邹佳运

2025, 33(4): 581-588. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0175

[摘要](31) [HTML全文](15) [PDF 717KB](6)

摘要:
随着水下无人技术的发展, 声学滑翔机日趋成为海洋环境观测和水下目标探测的优势平台, 对其进行系统效能评估也成为关注重点之一。文中基于声学滑翔机系统的任务过程特点和影响因素, 构建了声学滑翔机系统效能评估指标体系; 考虑海洋环境和综合保障等因素对声学滑翔机的影响, 对传统可用性-可信性-固有能力(ADC)模型进行了优化改进; 利用层次分析法(AHP)确定了声学滑翔机系统效能三级指标权重, 并通过算例验证了该模型的可行性, 使得评估结果更加符合实际, 为后续海上无人装备效能评估提供方法参考。

水下滑翔机声学适配结构优化设计与仿真

陈博文, 张林, 孙芹东, 于法军

2025, 33(4): 589-598. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0042

[摘要](44) [HTML全文](20) [PDF 4412KB](15)

摘要:
针对长续航水下滑翔机(UG)声学适配结构设计中流体动力性能与声学探测性能难以协同优化的技术瓶颈, 提出一种融合流线型减阻与声学散射增强的双目标协同设计方法。通过构建计算流体力学-有限元法(CFD-FEM)多物理场联合仿真框架, 创新性地整合任意区域湍流流动-计算连续体力学(STAR-CCM+)粘性流体求解器与COMSOL Multiphysics声固耦合模型, 突破传统单学科优化局限, 实现流体动力特性与声场散射特征的全耦合分析。基于Myring线型方程建立参数化几何模型, 引入锐度因子和长径比作为关键设计变量, 采用智能优化算法开展多目标协同寻优。研究结果表明: 优化后的声学适配结构在0.5~3 m/s航速范围内总阻力降低10.4%~15.6%, 其中长径比为1.875、锐度因子n=2的构型在1 m/s航速下阻力降低至8.178 N; 声学性能方面, 2 000 Hz平面波入射时散射声压级提升1.5 dB, 旁瓣抑制能力增强2~3 dB, 声学接收指向性提升显著。通过攻角试验验证, 优化方案在±10°攻角范围内保持阻力降幅6%~17%, 有效解决了传统设计中流体阻力与声学性能的耦合冲突。文中研究构建的“流-固-声”多物理场协同优化范式, 为新一代长航时-强探测复合型UG的工程化设计提供了理论支撑, 拓展了UG多学科优化方法体系。

基于风格迁移的侧扫声呐图像扩充方法

白忠玉, 徐红丽, 茹敬雨, 邱少雄

2025, 33(4): 599-605. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0045

[摘要](49) [HTML全文](7) [PDF 2530KB](10)

摘要:
侧扫声呐(SSS)因其在自主水下航行器(AUV)上的稳定性与高效性, 在海洋探测领域得到了广泛应用。然而, SSS图像获取难度大、样本数量稀少, 严重限制了基于深度神经网络(DNN)的SSS图像分类性能。针对这一问题, 文中提出了一种多尺度注意力融合网络(MSANet), 利用光学-声学图像进行数据扩充来提升SSS图像分类模型的泛化能力。首先, 通过编码器不同层提取输入图像的浅层与深层特征, 以充分捕捉内容与风格信息。随后, 引入多尺度注意力模块(MSAM), 提取风格图像在通道维度上的局部与全局上下文信息, 并与光学特征进行高效融合, 使光学特征在不同空间位置精准匹配相应的声学特征。最终, 将不同层融合后的特征进行尺度对齐, 并输入到解码器生成高质量的模拟SSS图像样本, 用于训练SSS图像分类网络。在真实SSS图像数据集上的实验结果表明, 提出的风格迁移方法能够有效生成高质量模拟SSS图像样本, 进而提高基于DNN的SSS图像分类性能。

基于改进终端滑模的IPMSM单电流调节器弱磁控制方法

甘少炜, 周国强, 虞子雷, 孙健, 贾雨心

2025, 33(4): 606-612. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0166

[摘要](27) [HTML全文](11) [PDF 1092KB](5)

摘要:
针对水下航行器推进系统中永磁电机在深度弱磁工况下稳定性欠佳的问题, 文中以内置式永磁同步电机(IPMSM)为对象, 提出了一种基于改进双幂次趋近率的积分终端滑模控制(ITSMC)单电流调节器弱磁控制方法。该方法以电流极限圆和电压极限圆为基础, 在IPMSM基速以下采用最大转矩电流比(MTPA)控制, 基速以上采用变交轴电压单电流调节器(SCR-VQV)弱磁控制策略; 为增强系统鲁棒性, 在SCR-VQV控制的转速外环中提出一种改进双幂次趋近率的ITSMC替代传统比例积分控制; 最后通过实验证明了该弱磁控制系统稳定的深度弱磁能力。

基于“海豚”深海剖面浮标的CTD数据自适应观测方法

刘楚, 侯斐, 杨泽荣, 周凌霄, 朱心科

2025, 33(4): 613-622. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0025

[摘要](55) [HTML全文](16) [PDF 1923KB](10)

摘要:
在深海剖面浮标的剖面观测过程中, 出于浮标的低功耗设计需求, 需要采取合适的传感器采集频率以降低数据采集和传输过程中的功耗。基于自主研发的“海豚”深海剖面浮标, 结合搭载外设的具体功耗以及Argo计划中获取的温盐深(CTD)剖面数据进行仿真分析, 提出了一种基于自适应遗传算法的温盐数据采集策略优化模型, 根据相邻剖面数据具有强相关性的特点, 通过分析历史剖面数据特征规划新一轮剖面的采样方案, 在采样过程中根据数据的变化趋势适应性调整采样频率。基于实际数据的仿真分析结果表明, 通过该观测方法获取的剖面数据与实际数据相差较小, 同时相较于预编程的深度分层观测方案进一步降低了剖面浮标的整体功耗。

基于深度学习的多自由度设备冲击响应分析

黄沁怡, 朱炜, 马峰, 陈思, 王爽

2025, 33(4): 623-629. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0143

[摘要](115) [HTML全文](129) [PDF 1809KB](24)

摘要:
针对船舶多自由度设备在爆炸冲击载荷下的响应分析难题, 文中提出了一种基于深度学习的冲击响应预测模型。传统单自由度模型无法高效分析多自由度系统的复杂冲击响应, 而该模型通过深度学习技术, 特别是利用神经网络的数据特征提取和非线性建模能力, 从数值仿真数据中学习冲击谱与输入冲击载荷的关联, 实现了对船舶结构中关键点冲击响应谱的高效准确计算。该方法弥补了现有模型在处理多自由度设备时的不足, 满足了对复杂系统冲击响应快速准确分析的需求。实验结果表明, 该模型能准确预测多自由度设备的冲击响应谱, 与仿真数据的相对误差控制在8%以内, 有效解决了传统模型在多自由度系统分析中的局限性。

结构柔性对功率三分支减速器动态特性的影响分析

严海, 文立华, 曹浩, 宋文

2025, 33(4): 630-637. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0041

[摘要](39) [HTML全文](11) [PDF 1708KB](5)

摘要:
为研究箱体、轴和花键联轴器的结构柔性对齿轮啮合刚度和传动系统动力学响应的影响, 对比不同建模方式之间的差异, 文中以功率三分支减速器为研究对象, 建立了全柔体耦合动力学模型以及将不同部件考虑为刚性的动力学模型, 采用时域和频域分析方法, 研究了结构柔性对齿轮啮合刚度和传动系统动力学响应的影响规律。研究结果表明: 部件柔性对齿轮啮合刚度的影响可以忽略; 箱体柔性对系统振动特性影响较大, 尤其当箱体模态与啮频重合或接近时, 共振会使系统振动响应幅值显著增大; 忽略轴的柔性可能导致部分啮频谱线丢失; 花键联轴器柔性仅影响其连接轴的振动特性, 对系统其他部分的振动响应影响较小。因此根据分析目的的不同, 需要采用不同的分析模型。分析啮合刚度时, 仅需要建立刚体模型; 而分析系统振动特性时, 则需要使用全柔体模型。

基于深度强化学习的矢量推进AUV路径规划方法

庞舟岐, 林晓波, 郝程鹏, 程文鑫

2025, 33(4): 638-647. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0005

[摘要](53) [HTML全文](8) [PDF 1689KB](17)

摘要:
为了赋予自主水下航行器(AUV)更强的路径规划能力, 文中提出了舵板+矢量推进器的联合控制方法, 并利用深度强化学习技术分配舵板和矢量喷管的使用比例, 用以在舵板控制的高能效性和矢量喷管控制的高机动性之间进行权衡, 使得AUV以较低能耗到达目标点。一方面, 构建起矢量推进AUV的动力学模型, 验证了矢量推进器能提高AUV的机动性, 但同时存在降低AUV能效的问题; 另一方面, 文中利用改进的近端策略优化算法(IPPO)解决联合控制背景下的路径规划问题, 该方法首先针对问题的动作空间有界的特点利用Beta分布建模策略分布, 并根据矢量推进器的特性在奖励函数中加大对矢量喷管控制的惩罚; 其次改进了近端策略优化算法(PPO)的参数更新策略并引入了“回滚机制”提高了算法的收敛效率。仿真结果验证了文中所提算法能够在联合控制的背景和复杂的环境中完成路径规划任务, 且在收敛速度及路径的最优性上优于未改进的算法。

结合ILOS及IPID-GWO的无人水翼航行器路径跟踪优化

毕成, 段富海

2025, 33(4): 648-656. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0177

[摘要](27) [HTML全文](5) [PDF 1691KB](9)

摘要:
为解决新型无人水翼航行器的路径跟踪问题, 提出了一种基于视线制导法(LOS)并结合增量式比例-积分-微分控制器(IPID)的跟踪策略。首先, 建立了航行器的3自由度运动学和动力学模型, 并通过控制策略实现控制输入解耦; 结合可变前视距离与积分项改进了LOS制导法, 得到ILOS算法; IPID控制器使用ILOS算法得到的期望航向角进行跟踪过程的动态控制, 同时在算法中增加跟踪点切换时的补偿输入, 避免了因剧烈变化导致的系统失控; 分别使用灰狼优化算法(GWO)与遗传算法(GA)对IPID控制器的权重系数进行优化和对比。在Matlab中使用ILOS及IPID控制器对给定的直线-曲线混合路径在无干扰与有干扰时进行路径跟踪仿真, 通过分析跟踪效果和横向误差, 验证了ILOS和IPID-GWO算法结合的可行性和先进性。

海洋装备全尺寸跌落冲击响应特性与安全性研究

王婷婷, 沈永福, 马军利, 焦纲领, 张剑, 王亚伟

2025, 33(4): 657-663. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0002

[摘要](32) [HTML全文](12) [PDF 2517KB](11)

摘要:
海洋装备的跌落安全在日常勤务操作中至关重要。针对某装备全尺寸跌落的安全性, 采用LS-DYNA软件, 建立了整体结构的有限元仿真计算模型, 对整体结构从5 m高度水平跌落过程进行数值仿真分析, 获取含能材料和各舱段的冲击响应规律。结果表明, 整体结构在5 m水平跌落条件下, 经多次反弹后各舱段材料内部产生塑性变形; 含能材料在整体结构和地面碰撞点内腔对应位置处应力最大, 含能材料内局部压力超过屈服强度产生变形, 在整个碰撞过程中虽没有发生点火反应, 但含能材料内部应力、温度和反应度数值有低幅变化, 局部发生轻微化学反应。结合整体结构5 m水平跌落试验进行验证, 试验结果与仿真结果趋于一致, 不燃不爆。文中研究可有效指导海洋装备的安全性设计和工程研制。

JWL状态方程参数对TNT炸药水下爆炸冲击波数值仿真影响规律

李浩, 张玉柱, 胡浩然, 张煊, 王进, 罗忆

2025, 33(4): 664-675. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0023

[摘要](52) [HTML全文](20) [PDF 1533KB](7)

摘要:
爆轰产物状态方程是计算爆炸力学的基本方程之一, 其参数的取值变化会对数值分析结果产生直接影响。文中研究聚焦于TNT炸药JWL状态方程参数对水下爆炸冲击波数值仿真的影响, 基于LS-DYNA有限元程序, 通过与经验公式对比构建精细的一维水下爆炸数值模型, 深入分析爆轰产物JWL状态方程各参数不同取值下爆炸冲击波压力衰减规律以及能量释放等关键过程的变化规律。结果显示, JWL状态方程参数对水下爆炸冲击波峰值压力、比冲量及比冲击波能等参数均有重要影响, 且在不同爆心距离上的影响不尽相同, 在峰值压力方面, 近场范围R₁影响远大于其他参数, 而中远场范围则是E₀影响最大, 且峰值压力越大衰减越快; 比冲量方面E₀的改变影响最大, 且改变E₀时比冲量计算值与参数大小成线性关系; 比冲击波能方面同样E₀影响最大。研究结果可为水下爆炸数值仿真中JWL方程参数合理取值提供参考依据。

联合自适应滤波-深度学习的舰船辐射噪声线谱增强

蔡婷婷, 俞孙泽, 赵梅

2025, 33(4): 676-685. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0040

[摘要](69) [HTML全文](24) [PDF 2018KB](20)

摘要:
针对复杂水声环境中舰船辐射噪声线谱特征难以辨识的问题, 提出了联合自适应滤波与深度学习(DL)的线谱增强模型。该模型融合双层协同自适应滤波模块与DL模块, 构建多层级特征增强框架。自适应滤波模块结合频域自适应滤波(FDAF)与最大相关熵准则(MCC), 在抑制宽带背景噪声的同时提高了对非平稳噪声的抑制能力。DL模块采用双向长短时记忆网络(BiLSTM)提取线谱的局部时间依赖关系, 结合注意力残差机制增强对弱线谱的关注, 并利用Transformer 编码器捕捉时频域长程关联。该模型充分结合滤波和DL的优点, 既有效抑制噪声, 又提升了对弱线谱的增强效果。仿真验证结果表明, 该方法在整体线谱增强及弱线谱强化方面均优于单一自适应滤波或DL模型。湖试数据验证进一步证实了该方法的有效性。

基于伪线性卡尔曼滤波的水下高速动目标短时运动分析

赵俊浩, 马晖, 王明洲, 张俊, 曹浩

2025, 33(4): 686-690, 698. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0171

[摘要](46) [HTML全文](26) [PDF 1987KB](13)

摘要:
针对水下高速动目标探测过程中主动探测周期长、数据不连续, 被动探测无法获得目标距离且难以快速有效解算目标运动要素的问题, 提出了一种基于伪线性卡尔曼滤波(PLKF)的水下高速动目标短时运动分析方法。该方法仅在探测初始时使用一次主动探测, 是一种水平面内的以被动探测为主、主动探测为辅的被动目标运动分析(TMA)方法。文中建立了数学模型并给出迭代方程, 基于“目标在大部分观测时间内保持匀速运动”的先验假设, 在目标匀速运动条件下进行仿真分析, 使用Monte-Carlo方法计算了预测轨迹的均方根误差。仿真实验结果表明, 该方法相较于纯被动探测下的纯方位TMA方法误差更小, 且能够在短时间内实现对目标运动要素解算收敛, 收敛时间不大于10 s。

深海特种耐压结构水面-水下复杂工况试验方法

陈沙古, 高原, 吴智睿, 王琨, 周成

2025, 33(4): 691-698. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0153

[摘要](110) [HTML全文](51) [PDF 2869KB](16)

摘要:
分离头盖是深海无人系统的特种耐压结构, 需兼顾水下长期耐压与水面快速分离功能。为研究深海特种耐压结构水面-水下复杂工况综合性能, 研制了分离头盖实尺度结构模型开展水压试验和分离试验研究。首先, 针对分离头盖水下服役时面临的长周期海水压力环境试验工况需求, 基于国内现有的常规深海环境模拟试验系统, 提出了一种通过带皮囊球的舱室装置来实现大深度海水-压力耦合环境模拟的试验方法。再者, 针对分离头盖出水后的水面状态(空气中)快速分离试验工况需求, 建立了一套安全可靠的斜法兰连接结构模型快速分离试验系统。分离头盖实尺度模型试验结果表明, 文中提出的特种耐压结构水面-水下复杂工况试验方法合理可行, 不仅可用于分离头盖的水压试验和分离试验研究, 也可为其他深海装备类似耐压结构的相关设计与试验提供参考。

UUV可折叠太阳能翼板减阻优化研究

王晨宇, 彭利坤, 陈佳宝, 陈佳, 王华睿, 潘炜

2025, 33(4): 699-706, 712. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0168

[摘要](51) [HTML全文](14) [PDF 3502KB](13)

摘要:
针对无人水下航行器(UUV)在海洋观测、资源勘探等任务中面临的续航瓶颈问题, 文中聚焦新型可折叠太阳能翼板水动力性能优化问题。为平衡计算效率与优化精度, 以翼板特征点坐标、各边圆角因子、翼板间间隙以及翼板与艇体间隙为设计变量, 在CAESES软件中建立翼板参数化模型, 创新性地构建了Sobol全局取样与非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-Ⅱ)优化算法相结合的混合优化框架: 首先利用Sobol算法在各变量阈值范围内生成80组样本点以充分探索设计空间, 继而通过NSGA-Ⅱ算法进行多代寻优。为避免传统代理模型精度衰减问题, 搭建了高精度水动力求解与优化算法耦合计算流程, 实现CAESES与STAR-CCM+软件的自动联合仿真, 对配备不同形状翼板的UUV逐一进行水动力分析, 探讨不同参数组合对总阻力的影响规律。优化结果表明: 2块翼板凸出艇体部分存在一定高度差有利于降低总阻力; 流场分析证实, 优化后的外形有效抑制了湍流引起的能量耗散。文中所提出的“参数化建模-智能优化-高精度验证”技术路线, 不仅降低了新构型UUV的直航阻力, 也为复杂附体优化提供了方法论参考, 对提升水下装备的能源利用效率具有重要工程价值。

基于信息模板库的人机交互信息有用度评估

陈维常, 肖刚, 杜琳琳, 马静静, 吴涛

2025, 33(4): 707-712. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0022

[摘要](39) [HTML全文](13) [PDF 1545KB](5)

摘要:
针对无人系统采用传统人机交互度评估时交互内容覆盖不全面的问题, 文中基于对不同语句结构传递信息特点的分析, 提出了信息有用度概念, 并将其纳入人机交互度评估指标体系。以此为基础, 将交互内容的核心要素作为信息模板, 构建了分级分类的信息模板库, 并设计了一种对照信息模板库的信息有用度计算方法，实现交互内容价值的量化评估。案例验证表明了该信息模板库构建的合理性和信息有用度计算方法的有效性, 可为人机交互度评估提供参考和借鉴。

UUV水下自主对接的状态估计算法应用

陈伟新, 刘涛, 张涛, 刘锋

2025, 33(4): 713-721. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2024-0161

[摘要](72) [HTML全文](23) [PDF 1444KB](20)

摘要:
无人水下航行器(UUV)水下自主动态对接是实现其远航程协同作业的关键技术之一。针对UUV水下动态对接中对对接装置运动状态估计精度不足的问题, 提出采用交互多模型(IMM)-自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)算法进行运动状态估计。考虑到UUV自身传感器获取的对接装置运动状态量测误差较大, 建立了UUV非线性观测模型, 采用AUKF算法在线实时更新观测噪声以降低观测误差; 针对单运动模型难以准确描述UUV和对接装置相对运动的问题, 构建了UUV与对接装置相对运动模型集, 采用IMM算法优化相对运动描述以提高滤波精度。基于UUV对接试验数据, 对比了无迹卡尔曼滤波(UKF)、AUKF和IMM-AUKF算法对对接装置运动状态的估计结果, 结果表明, IMM-AUKF算法具有更高的估计精度和稳定性, 可满足水下动态对接需求, 提升UUV对接成功率。

感应电机强定子电阻鲁棒性降阶磁链观测器无速度传感器控制

段罗堡, 王静, 潘阳

2025, 33(4): 722-732. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0038

[摘要](41) [HTML全文](13) [PDF 2180KB](13)

摘要:
感应电机无速度传感器控制技术能够减低系统成本和体积、优化硬件结构、可靠性高且易于维护, 已成为现代工业自动化、机器人控制和电动汽车驱动等领域的重要技术手段。然而, 该技术在低速发电区域内仍存在关键问题：系统在低速运行时可能会出现不稳定现象, 且低速控制性能易受定子电阻变化的影响。针对这些问题, 文中对感应电机降阶磁链观测器的增益设计进行优化, 在不添加额外的定子电阻自适应或在线辨识环节的前提下, 实现了降阶磁链观测器在低速发电区域的稳定运行和对定子电阻变化的强鲁棒性。为了充分验证所提方法的有效性和通用性, 在不同功率等级电机和不同定子电阻误差条件下开展了全低速范围带载实验。实验结果表明, 优化后的降阶磁链观测器在整个低速区域内表现出优异的稳定性和定子电阻鲁棒性, 系统控制性能显著提升。

海洋浮标低功耗远距离无线通信技术研究进展

王晓波, 胡旭娟, 姬雪峰

2025, 33(4): 733-742. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0019

[摘要](124) [HTML全文](20) [PDF 1495KB](37)

摘要:
随着全球海洋开发和利用的不断深入, 海洋浮标作为重要的海洋观测设备, 在海洋环境监测、气象预报及海洋资源开发等领域发挥着关键作用。然而, 海洋浮标通常远离陆地, 面临远距离数据传输和设备功耗限制等挑战。传统的卫星通信技术为远海浮标提供了可靠的通信方式。5G技术的发展则为近海浮标提供了新的可能性。随着物联网(IoT)技术的快速发展, 现代低功耗广域网(LPWAN)技术逐渐成为海洋浮标无线通信的重要选择。新兴的低轨卫星星座(LEO)技术也为海洋浮标提供了全球范围的通信支持, 尤其在超远距离和深海环境下表现优异。文中综述了当前适用于海洋浮标的低功耗无线通信技术, 重点分析了LPWAN技术、5G及低轨卫星通信的应用前景与技术挑战, 提出了未来的发展方向, 以期为推动海洋浮标通信系统的发展提供参考。

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