基于前视声呐图像的AUV目标识别与跟踪

声呐图像由于水体不均匀、边界不规则以及声呐设备本身性能的限制,导致图像噪声明显、亮度不均、分辨率低,使得水下AUV装备在使用前视声呐进行水下目标检测时难度较大。针对该问题,基于m750d声呐探测获得的AUV声呐数据,进行了数据提取、高斯滤波处理、扇形映射处理,并采用Jet映射对声呐灰度图像进行了伪彩色映射提高数据标注速度和精度,制作获得了4组2 500张声呐图像的AUV目标检测数据集;采用YOLOv4-tiny目标检测算法开展AUV目标检测研究,研究结果表明该方法在该数据集上表现优秀,mAP@0.50达到94.17%,FPS在22帧左右,说明该轻量级网络在水下AUV目标识别与跟踪应用上具有较好的应用价值。

基于领航跟随的2型AUV编队航行仿真对比

基于领航跟随的编队控制方法简洁实用,但其在不同自主式水下航行器(Autonomous Undenuater Vehicle,AUV)平台上的控制效果缺乏对比。本文针对500 kg的“海翔500”AUV与5000 kg的“NPS”AUV开展AUV编队航行仿真,对比分析了基于领航跟随编队控制方法下的2型AUV的队形距离偏差、队形角度偏差。500 kg的“海翔500”AUV与5000 kg的“NPS”AUV在路径跟随上的航行能力接近,航行稳定后偏离设定路径的法向距离小于1 m。基于领航跟随的编队控制方法对2型AUV的编队均有较好的控制效果,在稳定直航段跟随者与领航者的距离偏差保持在7~8 m,角度偏差保持在3°~5°。但在切换点处由于队形相对位置的约束,对编队内外侧AUV的加减速性能有一定要求,“NPS”AUV在直角拐弯处的距离偏差较“海翔500”AUV增大50%左右。

基于差分进化算法的无人潜航器水平面水动力参数辨识研究

针对无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)水动力参数试验和理论计算的困难性及以往辨识方法优化结果趋于局部最优解的缺点,提出一种基于差分进化(Differential Evolution,DE)算法的UUV水动力参数辨识方法,针对“海翔500X”进行动力学建模分析的基础上,利用该方法对其水平面运动水动力参数进行辨识,与实际值进行比较后,辨识误差在允许范围之内。将辨识结果与粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法及最小二乘(Least Square,LS)算法的辨识结果进行比较,仿真结果表明,应用差分进化算法的参数辨识结果明显优于其他对比方法,证明了算法的有效性与合理性。利用辨识结果对水平回转运动进行预报,差分进化算法的预报回转轨迹与实验数据最为吻合,表明该方法可行、准确,对无人潜航器的水动力参数辨识问题具有指导意义。

2种典型AUV编队控制算法比较与局部优化研究

本文研究分析了基于领航者-跟随者的编队控制方法和基于路径跟随的编队控制方法等2种常用的AUV编队控制方法异同点。针对2种方法在路径点切换时航向变化较大的共性问题,提出采用B样条曲线对规划航路做在线的局部B样条拟合优化,对路径切换点处领航AUV的控制航向角作适度平滑处理。通过数值仿真验证了该方法可改善路径切换时,基于领航者-跟随者的编队控制中的跟随AUV目标跟踪位置变化速度和曲率,削弱了跟随AUV的点跟随难度;同时在路径跟随的编队控制中,利用B样条基函数自变量作为在切换点附近路径的同步控制参数的一部分,可提高切换点附近路径上编队的同步速度。

新型拍动翼仿生推进性能

采用重叠网格技术对采取非正弦曲线运动的拍动翼的推进效率进行数值模拟研究。系统地分析β值、俯仰运动幅值和特哈尔数对拍动翼推进效率的影响,并将非正弦曲线运动的拍动翼推进结果与标准正弦曲线运动的拍动翼推进结果相对比,为后续仿生潜器的设计提供技术依据和理论指导。数值模拟结果表明,β值对拍动翼的推进性能具有重要影响。

基于TMS320F28335无刷直流电机控制系统设计

针对传统无刷直流电机伺服控制系统精度低、集成度低、计算速度慢、存储量小的问题,设计一种基于TMS320F28335构成的无刷直流电机数字伺服控制系统。采用浮点型DSP作为主控器,完成控制算法计算、接收控制指令、处理电机同步等功能。位置检测装置向控制器提供电机转子位置信息,控制器根据转子位置信息进行控制算法计算输出控制指令,经驱动芯片LMD18200T功率放大,实现电机转子运动控制。采用电源模块与双路低压电源调制器TPS767D318结合实现无刷直流电机控制系统合理供电。根据控制器功能实现需要,控制器DSP外围电路包括:复位电路、时钟电路、JTAG仿真接口、串行通信接口。经测试表明,控制系统具有较高准确度和稳定性,能够实现电机转子旋转速度稳定调节。

基于STM32的新型水下滑翔器姿态调节系统设计

针对现有水下滑翔器姿态调节系统存在的功耗较高和可靠性较低的问题,从降低功耗措施和提高可靠性2个方面着手,重点设计研究了一种基于STM32F103RBT6的新型嵌入式水下滑翔器姿态调节系统。通过对姿态调节系统驱动电源的分时控制以及采取的位置的反馈自纠错措施,设计一种新型的低功耗、高可靠性的姿态调节系统。经过试验测试验证,新型水下滑翔器姿态调节系统能够显著降低滑翔器整机功耗和提高滑翔器航行的可靠性,能够较好满足滑翔器对于远距离无故障续航能力的要求。

基于重叠网格理论的拍动翼推进特性研究

基于重叠网格技术对拍动翼运动进行数值模拟研究。系统地分析拍动翼的运动参数(包括升沉俯仰相位差、俯仰幅值及斯特劳哈尔数等)对推进性能的影响。结合推进效率及拍动翼后方的涡流场结构确立最佳运动参数。该求解方法可为其他动边界问题的处理提供参考。

基于混合势场法的无人潜航器路径规划及编队方法研究

针对水下无人潜航器航行与探测作业应用过程中避障、航向保持、路径跟踪多参数控制以及欠驱动问题,提出一种混合势场路径规划及避障方法。以虚拟力的理念,将潜航器避障算法与路径跟踪算法进行混合,合并为统一的广义势场架构。该方法将避障、航向保持、路径跟踪等多自由度驱动问题进行统一,以单输出的形式展现,适合单舵控制的欠驱动水下无人潜航器。利用"海翔-H"混合动力水下无人潜航器进行实环境下的路径跟踪、单障碍避障、双障碍避障、多障碍连续避障的航行试验,验证混合势场法的有效性。

高承载工况下滚珠丝杠副失效形式分析

以高承载工况下滚珠丝杠副为研究对象,依据弹塑性接触变形理论,建立滚珠与双圆弧滚道的接触模型,结合试验研究,发现了滚珠丝杠副在高承载工况下可能出现的3种失效形式,包括滚道面大变形导致的严重塑性流动、滚道面顶部断裂和滚珠卡死等。

基于数值运动仿真的水下滑翔机浮力调节设计及试验研究

为了提高水下滑翔机航行性能预报精度,达到对浮力调节量进行优化设计的目的,本文综合考虑海水密度变化、耐压舱与气囊弹性压缩变形等因素,建立了相对完善的水下滑翔机垂直面运动数学模型,结合CFD及ANSYS有限元计算,对水下滑翔机垂直面运动进行了计算仿真,针对研制的水下滑翔机进行了浮力调节能力优化设计,并将运动仿真结果与试验结果进行对比,验证了通过运动仿真方法开展水下滑翔机浮力调节量优化设计的有效性,为改进水下滑翔机浮力驱动系统设计及航行性能预报提供参考。

一种UUV智能应急安全控制自救系统设计

针对无人水下航行器(UUV)航行作业时面临的安全性问题,提出了一种智能应急安全控制自救系统,该系统采用了电磁耦合的工作模式,其基本原理是通过直流线圈产生与永磁体强度相同的反向磁场,以消除电磁铁的磁力,并利用弹簧力将负载抛掉。通过分析线圈电磁力与线圈匝数等参数的对应关系,给出了电磁铁设计方法,在系统设计时通过在滑道中设置单向斜坡扰动结构,以及在控制机制中采用故障优先权联锁等,实现了系统的低功耗及高可靠性。湖上试验验证表明,该系统对于提高中小型UUV在复杂海洋环境中的安全性具有实用价值。

精密滚珠丝杠副伺服加载试验台设计

针对伺服传动系统中的精密滚珠丝杠副,设计出基于FCS多通道协调加载系统的伺服加载试验台,利用该试验台可测试精密滚珠丝杠副的多变载荷承载能力、轴向刚度、传动效率和启动力矩等性能,为用户提供准确可靠的检测报告。机械结构、多通道数据采集系统、电动机控制模块,是伺服加载试验台的关键部件。

铝合金耐压结构设计分析与试验验证

根据水下潜器总体性能要求,按照最小重量原则,结合规范和有限元方法设计工作潜深为500m的铝合金带加强筋形式的圆柱耐压舱,并通过压力筒加压试验,对Ansys有限元静力分析的精确度进行了验证,为耐压结构设计与校核提供重要参考.