水下无人系统学报

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胡新宇, 王聪, 魏英杰

2025, 33(6): 939-947. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0077

[摘要](135) [HTML全文](57) [PDF 2447KB](24)

摘要:
航行体经水下冰层孔洞的入水过程, 在极地海洋探测器的投放以及极地区域相关装备的部署策略中具有重要工程意义。然而, 当前对冰层孔洞结构下航行体入水行为的研究仍较为有限, 尤其缺乏对孔洞约束下空泡演化机制与航行体动力响应之间耦合关系的系统认识。为此, 文中采用基于计算流体力学的数值仿真方法, 针对航行体穿过水下冰层孔洞的入水过程开展深入研究, 重点揭示孔洞几何约束条件下流场结构、空泡演化与航行体运动状态之间的耦合特征。研究结果表明: 航行体穿越冰层孔洞的过程中, 入水空泡先收缩后膨胀, 流体阻力同步呈现先增后减的趋势; 随着航行体逐步穿过孔洞, 其壁面周围流速显著提升, 尾部流场的不对称性进一步加剧; 航行体穿越孔洞期间速度明显下降, 这一变化的转折点与空泡溃灭时间基本吻合; 当航行体完全穿过孔洞后, 运动轨迹发生偏转。上述发现不仅丰富了孔洞结构约束条件下入水动力学的理解, 也为极地探测器投放路径设计及结构优化提供了理论依据。

水下目标综合磁场时空特性分析

董昕瑜, 王宏磊, 杨益新

2025, 33(6): 948-955. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0073

[摘要](165) [HTML全文](63) [PDF 1327KB](37)

摘要:
水下目标辐射磁场的精确建模对磁探测技术的发展具有重要意义。目标辐射磁场主要分为磁异常场和尾流磁场, 而磁传感器在探测时通常接收的是磁总场信号。当前研究主要针对磁异常场和尾流磁场分别进行仿真分析, 缺乏对两者集成后的辐射机理、传播模型、时空特性和衰减规律的系统研究, 难以有效推动水下目标磁探测技术的发展。为此, 文中提出一种水下目标综合磁场时空特性分析方法, 采用COMSOL和MATLAB软件分别对磁异常场和尾流磁场进行建模研究, 经矢量叠加集成2种磁场模型, 综合分析目标辐射磁场的时空特性及衰减规律, 提升了综合磁场的求解效率与模型精度, 同时揭示了目标运动参数对综合磁场的影响规律, 为水下目标磁探测的高精度建模提供了理论支撑。

水下航行器尾流感应电磁场分布特性研究

王翔津, 张建生, 王新彤, 闫林波, 兰青

2025, 33(6): 956-962. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0082

[摘要](102) [HTML全文](29) [PDF 2571KB](24)

摘要:
水下航行器尾流切割地磁场产生的感应电磁场为其非声学探测提供了新途径。然而, 现有研究多集中于水面舰船或有限水深环境, 且未能深入揭示下潜深度在无限深水域中对尾流电磁场的调控规律。针对此问题, 文中基于麦克斯韦方程组和流体力学基本理论, 利用水下航行器尾流感应电磁场的数学模型进行数值仿真, 并重点对比分析了下潜10 m与50 m 2种典型深度下的场分布特征。结果表明: 当水下航行器运动时, 其尾流速度场分布呈典型V字形分布, 尾流感应电磁场沿航迹呈指数衰减; 随着下潜深度增加, 感应磁场峰值显著减弱(从0.3 nT降至0.1 nT), 感应电场峰值增强(从1 μV/m增至3 μV/m)。文中研究从理论与仿真层面揭示了下潜深度对电磁场的影响规律, 证实了针对不同潜深目标需采用差异化探测策略的可行性, 为深海目标探测提供了新的理论依据。

基于RBF神经网络的欠驱动AUV反步滑模水平面轨迹跟踪控制

王储, 王磊, 胡震, 胡宝强

2025, 33(6): 963-970, 978. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0076

[摘要](77) [HTML全文](33) [PDF 4055KB](16)

摘要:
针对欠驱动自主水下航行器(AUV)在复杂海洋环境中水平面轨迹跟踪控制难度大、抗干扰能力弱的问题, 提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络的欠驱动AUV反步积分滑模控制(BISMC)轨迹跟踪控制方法。首先, 运用反步控制方法设计运动学控制器, 得到虚拟控制律和实际控制输入; 其次, 在动力学控制器中, 引入积分滑模控制, 考虑系统的不确定因素及可能存在的外部干扰, 同时引入RBF神经网络在线逼近系统未知非线性项, 有效解决传统滑模控制中抖振效应与参数不确定性之间的矛盾; 最后, 将误差作为RBF神经网络的输入, 将RBF神经网络的输出作为切换控制, 从而实现滑模控制律的在线调整。仿真结果表明: 通过与传统的反步滑模控制进行比较, 文中方法可有效消除传统滑模控制中切换项引起的抖振问题, 使系统具有良好的鲁棒性。

基于粒子群差分进化混合算法的水下目标电场定位方法研究

白筱凡, 王宏磊, 杨益新

2025, 33(6): 971-978. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0070

[摘要](28) [HTML全文](1) [PDF 2987KB](10)

摘要:
为实现浅海环境下水下目标的远距离高精度定位, 提出一种基于粒子群差分进化混合算法(PSODE)的水下目标电场定位方法。从三层媒质电场辐射模型出发, 将水下目标等效为恒流电偶极子源, 利用非规则布放的三轴电场传感器阵列获取电场测量数据, 构建基于信噪比动态权重与鲁棒Huber损失的目标函数, 将定位问题转化为目标函数最小化问题。针对传统差分进化(DE)算法易早熟收敛、粒子群优化(PSO)算法局部搜索能力不足等问题, 提出一种协同优化机制。该机制通过DE变异交叉生成多样化解集, 并结合PSO的动态权重更新策略强化局部搜索能力, 同时引入自适应参数调整与概率选择机制, 在全局探索与局部开发之间实现更优平衡, 从而有效降低算法陷入局部最优解的风险。仿真实验结果表明, 所提方法具有初值不敏感、抗噪性强、收敛速度快等优势, 相比传统PSO和DE算法具有更高的定位精度, 为浅海环境下的水下目标高精度定位提供有效解决方案。

基于SDP优化测距的相对定位误差校正方法

邢佳艺, 邓锴, 王长红, 饶亮

2025, 33(6): 979-987. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0099

[摘要](52) [HTML全文](29) [PDF 1936KB](8)

摘要:
现有集群协同定位研究多聚焦于绝对位置估计, 对节点间相对位置关系的关注较少。为简化测距模型并更直观地评估算法性能, 文中假定集群内部节点保持相对静止, 提出了一种基于半正定规划(SDP)优化测距的惯导误差校正方法。该方法在测距时刻对原始测距数据进行全局SDP优化后校正惯性导航系统(INS)的定位误差, 并对INS存在的固有偏差进行误差补偿更新, 有效提升了集群内节点的相对定位精度。文中构建了集群协同定位模型, 推导节点位置的非线性最小二乘解算公式, 并开展惯导误差补偿机理分析。多次仿真结果表明: 与直接采用原始测距数据进行惯导校正的方法相比, 所提方法可使相对定位误差平均降低40%以上; 且随着测距更新间隔的增大, 其在惯导误差抑制方面的技术优势愈发显著。

集成学习算法在船舶辐射噪声预报中的应用研究

强以铭, 陈奕宏, 裴雨晴, 庞业珍, 谢硕

2025, 33(6): 988-994. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0111

[摘要](69) [HTML全文](28) [PDF 1747KB](10)

摘要:
船舶多振动源产生的辐射噪声会严重影响其舒适性与隐身性。准确预测其辐射噪声水平与分布, 可为船舶设计阶段的减振降噪优化提供关键支撑。针对船舶振动源数量多以及噪声辐射机制复杂的问题, 文中首先采用集成学习算法中的随机森林与梯度提升树算法, 对不同工况、不同测点的1/3倍频程噪声声压级开展快速预报, 并与贝叶斯岭回归模型的预报效果进行对比验证。4种测试工况的验证结果显示, 集成学习算法在3种工况下的预报效果优于贝叶斯岭回归, 平均绝对误差均小于5 dB; 进一步对上述模型进行优化, 通过在不同层次构建集成学习算法与线性算法的基础单元并组合, 形成辐射噪声联合预报方案, 其精度较单一集成学习算法提升1.5 dB。文中所提集成学习算法及联合预报方案可为船舶辐射噪声的快速精准分析提供有效技术工具。

基于VMD-FastICA的单通道舰船辐射噪声盲源分离

李玉伟, 王慧源

2025, 33(6): 995-1005. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0089

[摘要](69) [HTML全文](30) [PDF 2064KB](10)

摘要:
针对在仅有单通道信号可用的极端条件下, 难以从混合信号中分离出不同目标舰船辐射噪声信号的问题, 开展单通道盲源分离算法研究。提出一种基于变分模态分解(VMD)-改进快速独立成分分析(FastICA)的舰船辐射噪声盲源分离算法。在单通道条件下, 首先通过VMD将单通道信号分解为频率成分相对独立的多阶模态, 初步实现独立频率成分的分离; 而后将各阶模态组合为虚拟多通道信号, 解决FastICA无法处理单通道信号的问题; 最后通过FastICA对虚拟多通道信号进行处理, 进一步分离独立信号成分, 从而实现单通道舰船辐射噪声盲源分离。仿真与试验数据分析结果显示, VMD-FastICA算法分离的目标信号与原目标信号的相似度, 较奇异谱分析-独立成分分析(SSA-ICA)算法均有提升, 表明其在单通道舰船辐射噪声信号盲源分离中效果良好, 能够实现单通道条件下不同目标舰船辐射噪声信号的有效分离。

定轴式三分支齿轮传动系统均载特性试验研究

严海, 杨圣, 文立华, 孟凡明, 曹浩

2025, 33(6): 1006-1013. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0085

[摘要](47) [HTML全文](34) [PDF 2361KB](6)

摘要:
针对目前齿轮传动系统均载特性试验未考虑齿侧间隙、轴偏心角等加工和安装误差等对均载特性的影响, 文中以定轴式功率三分支齿轮传动系统为研究对象, 搭建了齿轮传动系统均载特性试验台, 试验台设计中, 通过在轴承座处加装薄垫片实现齿侧间隙的精准调整, 通过定制偏心套结构实现轴偏心角度的可控调节。为探究均载特性的影响规律, 测试了不同工况下分流级与汇流级中心轮的齿根应力, 并采用温度补偿应变片消除温度干扰对测试精度的影响, 重点分析了负载、齿侧间隙及轴偏心角度与均载特性的关联关系。研究结果表明: 汇流级齿轮的均载特性优于分流级; 两级齿轮的均载效果均随载荷增大而提升; 轴偏心角度对齿轮均载特性的影响显著。

基于模糊控制的水下无人动力平台PEMFC稳压系统仿真

边洋震, 肖宗亮, 杨健, 钟泉鸣, 丁毅, 张林

2025, 33(6): 1014-1023. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0061

[摘要](72) [HTML全文](32) [PDF 1667KB](11)

摘要:
针对水下无人动力平台对高效、稳定能源系统的需求, 文中聚焦质子交换膜燃料电池(PEMFC)输出电压强非线性、易波动的难题, 提出一种基于模糊比例-积分-微分(PID)自适应控制的DC-DC变换器稳压策略。PEMFC输出电压因强非线性特性且易波动, 传统控制方法在动态响应与鲁棒性方面存在局限。为此, 建立了含能斯特电压及活化、欧姆、浓差损失的PEMFC数学模型, 以及Boost升压电路模型, 剖析其电压波动机理; 设计了一种模糊PID控制器, 其规则库深度耦合PID控制原理与PEMFC非线性特性, 实现了PID参数的在线动态自整定, 从而实时优化DC-DC变换器占空比。仿真结果表明: 相较于传统PID控制, 模糊PID控制可缩短系统调节时间, 使稳态误差趋近于零, 在电流突变工况下输出电压波动范围缩小至±0.5 V以内, 且占空比响应更精准。该模糊PID自适应策略显著增强了系统的动态响应速度与鲁棒性, 为水下无人平台能源系统的高效、稳定运行提供了可靠的理论支撑与解决方案。

不同参数下水下拖曳体释放过程数值仿真分析

田一伟, 吕瑞, 王梦豪, 李魁, 张凯, 王雷雷

2025, 33(6): 1024-1032. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0072

[摘要](89) [HTML全文](38) [PDF 2979KB](11)

摘要:
水下拖曳体是水下航行器的重要部件, 为满足其拖缆设计及释放过程中姿态稳定的需求, 文中开展了相关研究。首先, 采用重叠网格技术与可实现的k-ε湍流模型, 构建拖曳体流体动力学模型, 并对其释放过程进行非定常数值仿真; 随后, 通过试验结果验证了网格划分与数值方法的有效性。在此基础上进一步系统分析了拖曳速度、重浮心位置以及拖曳点位置三大关键因素对水下拖曳体释放过程的影响规律, 仿真结果表明: 拖曳速度影响拖曳体的稳定时间与姿态稳定过程, 需根据拖曳体结构确定最佳拖曳速度; 重浮心位置对拖曳体释放动力学特性作用显著, 重心前移设计可减小拖曳体振荡、提升系统稳定性, 且重心与浮心接近时, 拖曳体姿态调整时间更短、运动更平稳; 拖曳点应选在拖曳体头部下方, 以减小释放过程中俯仰角的变化、提高释放稳定性。研究结果为水下拖曳体的工程设计与释放策略提供了重要理论依据。

基于MRF方法与重叠网格技术的自航式布放UUV水动力特性研究

金册刚, 杨壮滔, 张涛, 段浩, 袁思欢, 朱敏, 陈伟新

2025, 33(6): 1033-1043. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0109

[摘要](62) [HTML全文](27) [PDF 2882KB](11)

摘要:
针对自航式布放无人水下航行器(UUV)在双体分离过程中受母平台与布放装置尾流场干扰、操纵性显著变化的问题, 文中基于雷诺平均方程(RANS)方法, 耦合多重参考系(MRF)模型与重叠网格技术, 建立适用于双体分离问题的数值计算方法。针对自航式布放UUV的水动力特性, 选取多个定常工况, 对比分析了典型回转体UUV在布放状态与自由状态下的水动力特性差异。研究表明: 在布放装置尾流场下UUV受到显著干扰, 包含阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数在内的位置力系数变化范围为7.12%~343.04%, 旋转力系数变化范围为22.81%~97.16%, 操舵力系数变化范围为11.83%~164.98%, 操纵性对比自由状态显著减弱。文中研究结果可为自航式布放UUV的布放方案优化和控制策略设计提供一定理论依据。

基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计

李广胜, 冯杰, 白峻, 李亚岚

2025, 33(6): 1044-1056. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0069

[摘要](79) [HTML全文](37) [PDF 3860KB](11)

摘要:
针对现有深海潜标通信方式存在的通信模式有限、可靠性低、扩展性弱及功耗高等问题, 提出一种基于多源通信链路的跨域中继浮标通信系统设计方法。首先, 介绍了浮标通信系统的组成、工作原理及工作模式, 并阐述了具备多源通信手段和高扩展性的系统硬件设计方案; 其次, 提出一种最优通信链路选择策略, 该策略能够根据各通信链路实时状态完成最优通信链路的动态选择, 从而提升系统通信可靠性和稳定性, 同时, 引入了数据重发机制, 以有效应对通信中断、数据丢包等通信异常情况, 进而确保系统通信准确性与完整性; 最后, 对系统电源管理与功耗优化进行设计, 并提出了一种低功耗控制策略, 以实现系统电源精细化控制与低功耗运行。试验结果表明, 文中所提浮标通信系统设计方法有效可行, 可解决深海潜标通信问题, 实现远距离实时数据传输, 为水下探测装备信息传输提供技术支撑。

基于折射模型的水下相机内参快速标定方法

陈俊锋, 贾国涛, 李雪艳, 李岩田, 王娴

2025, 33(6): 1057-1064. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0064

[摘要](107) [HTML全文](34) [PDF 2483KB](18)

摘要:
针对水下视觉作业时相机内参不准造成的作业精度较低问题, 提出了一种水下相机快速标定方法。该方法仅需1张包含2组正交平行线的图像, 通过求解平行线在图像平面的消失点, 构建与等效焦距相关的正交关系, 从而求解相机内参。针对水下成像畸变问题, 通过考虑二阶径向畸变模型, 并以最小重投影误差为优化目标求解畸变系数, 以实现水下成像畸变校准, 提高内参标定精度。通过对比空气中图像和水下目标等效空气图像, 证明了该方法还原的等效图像具有较高的精度。实验结果表明, 文中所提方法操作简便, 显著降低了相机标定时对现场环境的要求, 且能在保证一定精度的同时, 有效提升内参标定速度, 适用于水下相机标定任务。

基于轻量化多尺度CNN的水下图像增强算法及边缘端部署

张俊, 罗凡, 袁政

2025, 33(6): 1065-1073. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0094

[摘要](92) [HTML全文](39) [PDF 2302KB](14)

摘要:
针对水下可见光图像因水体散射、吸收导致的噪声干扰、纹理模糊、颜色失真问题, 以及传统增强算法计算量大且基本耗时长的缺陷, 文中提出一种基于轻量化多尺度卷积神经网络(CNN)的水下图像增强算法。该算法采用U-Net结构, 融合浅层纹理特征与深层语义特征, 有效恢复图像纹理细节与颜色信息; 引入轻量化特征提取模块, 在精简模型参数的同时加快网络收敛速度; 在主干网络中嵌入多尺度金字塔池化, 强化多尺度特征提取能力, 弥补传统算法细节恢复不足的短板; 采用L1损失与结构相似性损失联合优化, 提升图像亮度与对比度的恢复效果。为满足工程应用低延时需求, 算法经量化后部署于嵌入式平台, 通过调用嵌入式神经网络处理器资源加速推理, 在Atlas200IA2上的前向推理耗时仅28 ms。公开水下数据集的实验结果表明, 该算法在测试集上的水下图像质量度量与水下彩色图像质量评估指标分别达到4.33和0.63, 验证了其增强效果的有效性。

水下MC-WPT系统最大效率跟踪及宽功率调节复合控制方法

李皓, 钱林俊, 李盛洪, 王锋, 李志强

2025, 33(6): 1074-1083. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0065

[摘要](78) [HTML全文](59) [PDF 2371KB](9)

摘要:
针对无人水下航行器无线充电系统最大效率传输和不同功率输出的需求, 提出一种既能实现最大效率跟踪又能调节输出功率的复合控制方法。首先分析水下磁场耦合式无线电能传输(MC-WPT)系统传输功率和效率的影响因素, 围绕海水介质环境需考虑耦合机构涡流损耗的问题, 采用磁场和电路联合仿真的方法得到耦合机构涡流等效电阻, 计算得到最优负载; 其次, 在接收端级联Cuk电路进行阻抗匹配实现最大效率跟踪, 同时在发射端通过控制移相角实现宽功率范围调节, 该复合控制方法中效率和功率2个控制回路之间互不干扰; 最后, 构建系统仿真模型并搭建系统实验样机, 通过仿真和实验验证了文中理论分析和所提方法的正确性。实验结果表明, 引入最大效率跟踪方法后, 各个负载工况均能提升至最佳效率, 以输出2 kW、负载5 Ω为例, 效率由84.8%提升至93.1%; 实验中输入电压变化时, 通过调节移相角实现了最大效率情况下1~3 kW的功率输出, 仿真和实验均表明系统能够持续保持较高效率运行并根据需求实时调节输出功率。

水下运载器的人因工程分析

周峻宇, 李耀龙, 张欧

2025, 33(6): 1084-1090. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0058

[摘要](57) [HTML全文](31) [PDF 2199KB](7)

摘要:
人因工程学是优化人机交互效能、提升系统作业安全性与效率的核心支撑, 将其融入水下运载器设计与操控对拓展装备应用场景、保障作业可靠性具有重要现实意义。文中基于人因工程学理论, 针对潜水员操控水下运载器时的重心分布、潜水装具类型以及疲劳度等3个人因工程因素, 以某水下运载器为试验载体, 开展理论研究与试验分析。研究结果表明, 合理的重心布局、适配的潜水装具及可控的作业疲劳度可显著提升水下运载器的航速稳定性与航向精准度。文中总结的水下运载器人因工程优化方向为未来水下运载器的人性化设计与操控规范制定提供新的研究思路。

靶板不规则破孔孔径测量方法研究与实现

张建亭, 姜晓鹏, 曲春亮, 张稀桐, 许波

2025, 33(6): 1091-1096, 1110. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0051

[摘要](66) [HTML全文](42) [PDF 4647KB](5)

摘要:
针对靶板不规则破孔孔径难以准确测量的技术难题, 文中提出一种采用流量比对法的测量设备方案。该方案将不规则破孔等效为规则孔进行孔径大小准确测量, 具有贴近实际工况、简单易实施、工作可靠以及使用成本较低等显著优势, 对水下毁伤效能评估具有特殊表征意义。其核心原理亦可为其他行业解决类似不规则孔径测量需求提供重要参考。

水下仿生感知技术的发展及应用

刘一函, 王思远, 徐鹏

2025, 33(6): 1097-1110. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0075

[摘要](111) [HTML全文](48) [PDF 5967KB](30)

摘要:
随着水下技术的不断发展, 水下仿生感知技术已成为推动海洋科学和技术进步的重要手段之一。水下仿生感知技术通过模仿海豹胡须感知、鱼类侧线系统及章鱼触手感知等水生生物的天然感知机制,可帮助水下机器人、可穿戴设备或其他水下系统实现更精准的目标识别、定位和信息采集。文中综述了水下仿生感知技术的研究现状与发展历程, 重点介绍了仿生传感器的设计原理、材料选择及其在水下目标感知、水下机器人导航避障以及可穿戴设备中的应用。同时探讨了水下仿生感知技术的实际应用前景及其面临的挑战, 展望了其在未来水下机器人、海洋探测与环境监测等领域的广阔应用前景, 最后提出了进一步提升水下仿生感知技术性能、扩大其应用范围的潜在方向。

任务方案智能优选方法研究现状与展望

王兆辰, 杨华东, 孙海文, 靳子荣

2025, 33(6): 1111-1122. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0066

[摘要](66) [HTML全文](36) [PDF 1063KB](13)

摘要:
针对任务环境愈发复杂, 任务节奏明显加快的问题, 传统的人工决策已无法满足需求, 亟需先进的辅助决策系统辅助决策者进行临机任务指挥, 为推动任务方案人工智能推荐方法的深入研究, 文章分析了近年来国内外该方向相关研究成果, 将智能推荐方法分为智能分析、智能匹配和智能学习三类, 详细阐述了各类方法的核心原理、技术路径及典型应用, 同时梳理分析了三类方法的优缺点, 明确了现有方法在动态适应性、自主决策能力、数据依赖以及可信度方面的不足, 最后展望了未来的发展方向, 为该领域后续研究提供了有价值参考。

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